第3章
放大电路与运算电路

3.1 概述

48 放大电路的主要性能指标

可用图4.3-1电路测试。主要指标有：

（1）增益（也称放大倍数） 分别定义为：电压增益 ；电流增益 。它们也常用分贝dB为单位来表示，分别定义为 和 。

（2）输入阻抗 Z _i 反映了放大器输入回路对信号源的负载作用。

（3）输出阻抗 · Z _L ，其中 、 分别为负载 Z _L 断开和接入时的 值。

（4）频带宽度 f _BW 放大电路的频率特性可用图4.3-2所示的特性曲线描述，其中 A _um 为中频增益，对应于增益 的两个频率 f _L 、 f _H 分别称作下限截止频率和上限截止频率， f _BW = f _H -f _L 。

（5）非线性失真系数 D 当 u _i 为正弦波时，由于放大电路有非线性失真， u _o 有谐波。谐波电压愈大、波形失真愈严重。 D 定义为 u _o 的谐波总有效值与基波有效值之比。

49 放大电路的基本组态及其特性

晶体管和场效应管均有三种基本放大电路，各电路主要性能见表4.3-1。

50 集成运放组成的放大电路

主要有以下三种（电路见图4.3-3）

（1）反相比例放大器 主要特点是： u _i 从反相端输入， u _o 与 u _i 反相，运放的共模输入电压 U _ic ≈0， R _i = R ₁ ， 。

（2）同相比例放大器 主要特点是： u _i 从同相端输入， u _o 与 u _i 同相， u _ic = u _i ， R _i 高，电路的 A _u = 。

（3）差动放大器 输出电压正比于两个输入电压的差值。 R ₁ 与 R ₃ 、 R ₂ 与 R ₄ 配对得越好则电路抑制共模信号的能力就越强。电路的 。

51 放大电路中的干扰和噪声

放大器中的干扰来自外部，如雷电、无线电发射、电气开关通断、电弧、临近电路电流瞬变产生的电磁场等。减小干扰的方法有：1）远离干扰源，甚至屏蔽产生干扰的设备；2）对放大器及输入端信号线加以屏蔽；3）电源进线加电源干扰抑制器，防止干扰信号经交流电源窜入，接法见图4.3-4。

放大器的噪声产生于内部，主要有电子不规则热运动引起电流微小起伏产生的热噪声；随频率降低而增大的1/ f 噪声；还有晶体管产生的分配噪声和散弹噪声等。放大器的噪声大小用噪声系数 N _F 衡量，定义为： 。式中 P _i 、 N _i 、 P _o 、 N _o 分别为输入和输出端的信号和噪声功率。减小噪声的方法有：1）选用低噪声元器件，特别是输入级；2）压缩放大器不必要的频带；3）合理选择信号源内阻及管子的静态电流大小。

3.2 负反馈放大电路

52 反馈的分类

反馈是将输出量（电压或电流）的一部分或全部，通过一定的网络（称反馈网络），以一定方式（串联或并联）返送回输入回路的方法。反馈可分为

1）直流反馈和交流反馈：前者只影响静态（无输入信号状态），后者只影响动态（加入输入信号状态）。2）正反馈和负反馈：前者使输出量增大，后者使输出量减小。正反馈往往使系统不稳定，而负反馈可以改善放大电路的性能。3）按反馈网络F与基本放大器A在输入、输出回路连接方式不同，放大器中的反馈有四种：电压串联反馈、电压并联反馈、电流串联反馈及电流并联反馈。它们的方框图及典型的负反馈电路见图4.3-5。

53 负反馈对放大器性能的影响

1）提高放大倍数稳定性；2）减小非线性失真；3）扩展通频带：使上限截止频率提高，下限截止频率降低；4）抑制放大器内的干扰和噪声；5）改变输入和输出阻抗：串联负反馈提高输入阻抗，并联负反馈降低输入阻抗，电压负反馈降低输出阻抗，电流负反馈提高输出阻抗；6）负反馈使放大器增益下降。

负反馈对放大器性能影响的程度，主要取决于反馈深度（1+ AF ）的大小。

54 自激振荡和寄生振荡

由于负反馈放大器电抗性参量产生的附加相移 Δ φ 达到180°，且 时，产生自激振荡。此时即使无信号输入，也会有一定幅度和频率的电压输出。自激振荡会破坏放大器的正常工作，常用相位补偿技术加以抑制。

多级放大器各级共用直流电源时，电源内阻引入的寄生反馈以及级间元件、连线间的感应，会产生寄生振荡。由电源内阻引起的寄生振荡频率较低，可用由 R 、 C 或 L 、 C 组成的去耦电路及同点接地（见图4.3-6）消除；感应引起的振荡常用各级加屏蔽予以防止。

3.3 直接耦合放大电路

55 零漂

直接耦合放大器由于各级静态工作点（即 Q 点）互相影响及放大作用，前级 Q 点微小变化将使输出端静态电压有较大改变。这种因为 Q 点变化引起的输出端静态电压变化称为零点漂移，简称零漂。由于温度影响 Q 点产生的零漂称温漂；由于元件老化影响 Q 点产生的零漂称时漂。主要影响零漂的是温漂。放大器的零漂大小用折合到输入端的漂移电压Δ U ₀ ，即输出端漂移电压与放大倍数 A 的比值Δ U ₀ / A 衡量。

56 差动放大电路

图4.3-7a是典型的差动放大电路。电路左右两边参数及结构对称，晶体管V ₁ 、V ₂ 特性一致，则 β ₁ = β ₂ = β 、 r _be1 = r _be2 = r _be 。有两种基本输入形式：差模输入 u _id = u _i1 -u _i2 和共模输入 。电路能放大差模信号，抑制共模信号。信号在两个输入端输入时为双端输入；一端接地（如 u _i2 =0），为单端输入。从V ₁ 和V ₂ 的集电极间输出为双端输出，输出电压 u _od = u _o1 -u _o2 ；从V ₁ 或V ₂ 的集电极与“地”间输出为单端输出。双端（或单端）输入、双端输出时差模电压增益 A _ud 和共模电压增益 A _uc 分别为：

双端（或单端）输入、单端输出时：

增大 R _e 可降低共模增益，更有效抑制零漂。为此常用图4.3-7b所示的恒流源代替4.3-7a图中的 R _e 。

57 电流模放大电路

电流模电路是以电流为参量来处理模拟信号的电路。由于电网络性能总是电压和电流两个参数互相作用、互相转换的结果，所以电流模电路没有十分严格和精确的定义。电子技术将输入和输出信号均为电流，整个电路中除了晶体管结电压外，再没有其他电压参量的电子电路称为电流模电路。由于电流模电路固有的宽频带、高速传输特性和晶体管放大电路的工作频率可高达 f _T ，使电流模技术成为高速、宽带线性和非线性模拟集成电路设计、制造的重要基础。用电流模技术设计和制造的运放称为电流模运放，其最大的特点是在一定范围内具有与闭环增益无关的近似恒定的带宽。

3.4 信号检测中的放大器

58 测量放大器

也称仪表放大器，它是一种具有差分输入、单端输出、超高输入阻抗、低输出阻抗及高共模抑制比的集成器件。常用于仪器仪表的最前端，与各类传感器直接相连，常用于热电偶、应变电桥、流量计、生物电检测以及有较大共模干扰的直流缓变微弱信号的检测。

仪表放大器的典型结构见图4.3-8，电路的差模增益

通过改变 R _G 可很容易调整电压增益，且有差模输入阻抗高、共摸抑制能力强的优点。

常用的测量放大器芯片有AD521、AD522、AD620等。

以AD521单片集成测量放大器为例，其共模抑制比为120dB，输入阻抗为3×10 ⁹ Ω，输入端可承受30V的差模输入电压，有较强的过载能力，不需要精密匹配外接电阻，动态特性好，单位增益带宽大于2MHz，电压放大倍数可在0.1～1000范围内调整，电源电压可在±（5～18）V之间选取。

AD521采用标准14引脚、双列直插管壳封装，其引脚功能见图4.3-9a。引脚4、6之间接调零电位器（10kΩ）的两个固定端；引脚10、13之间接电阻 R _S ，选用 R _S =100kΩ时，可得到比较稳定的放大倍数；引脚9是补偿端，通常可以悬空。引脚2、14之间接电阻 R _G ，通过改变电阻 R _G 来调整电压放大倍数，其电压放大倍数 A _U = R _S / R _G 。AD521的基本连接方式见图4.3-9b。在使用任何测量放大器时，要特别注意为偏置电流提供通路。

59 高精度放大器

具有极低的电压偏移、失调漂移和输入偏置电流，并且能够实现带宽、噪声与功耗之间的性能平衡。集成运放的运算精度主要取决于它的一些直流和交流参数，常用于毫伏级或更微弱信号的处理。常用的芯片有AD704、AD706、OP05、OP07、OP27、OP117等。

以较为经典的OP07为例，它具有极小的失调电压（30μV）与0.3μV/℃的温漂、0.3μV/月的时漂、114dB的开环增益与123dB的共模抑制比，偏置电流只有1.2nA，各项性能优秀。OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施，特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。图4.3-10为OP07引脚说明与符号图。

60 低功耗放大器

静态功耗在几十微瓦以下，工作电源电压可以低到±0.5～±1.0V。一般来说，低功耗运放的带宽较窄。例如AD8657（双通道）与AD8659（四通道）静态电流为18μA，内部采用EMI滤波器来提高抗电磁干扰，适用于过程控制或电机控制应用。

61 高输入阻抗放大器

这类放大器用场效应管作差分输入级，可将输入电阻提高到1GΩ～1TΩ，输入偏置电流非常小，但失调电压较大。高输入阻抗运放常用于信号源内阻很高的信号检测、有源滤波、采样—保持等电路中。常用的芯片有LF355、CA3130等。

62 高速宽带放大器

这一类运放具有较大的压摆率SR和较高的开环带宽 f _BW ，主要应用于高速数据采集、高速ADC输入放大器、高速DAC缓冲器、高速测试系统、高频放大器和宽带放大器等场合。目前高速运放的SR已经可以大于3500V/μs， f _BW 大于1GHz。

63 高压型放大器

通用运放的最高工作电源电压为±18V（使用单电源时为36V），由于采用一定的电路技术，高压运放可以在较大的电源电压下工作并输出较高电压（可达±140V）。

64 程控增益放大器

它是一种能通过程序（二进制编码或数字通信接口）设定增益的放大器，主要用于被测信号幅度变化较大且不可预知的场景。程控增益放大器的输出经过DC进入处理器，处理器根据分析数据，自动调整增益的大小（增大或缩减），最终使得放大器的增益处于最优状态。常用芯片有AD600、AD602、AD605、AD5330、AD8367等。

65 压控增益放大器

可在宽动态范围内针对各种音频与光频波段由外加电压 V _G 连续控制放大器的增益，从而改变电路的动态范围。主要应用于超声波、语音分析、雷达、无线通信和仪器仪表等相关领域。常用芯片有AD603、AD8367、VCA810等。

AD603是一款低噪声、电压控制型放大器，用于射频（RF）和中频（IF）自动增益控制（AGC）系统。它提供精确的引脚可选增益，90MHz带宽时增益范围为-11dB至+31dB，9MHz带宽时增益范围为+9dB至+51dB。选用一个外部电阻便可获得任何中间增益范围。这款芯片功能和控制引脚比较灵活。图4.3-11为AD603的引脚说明及基本连接方式。

66 隔离放大器

广泛应用于测控系统之中，它是一种输入回路与输出回路之间电绝缘的测量放大电路。其特点是输入与输出信号没有公共的接地端，这样可以避免干扰混入或确保测量安全（如生物医疗信息检测需要）。在隔离放大器中，信号的耦合方式主要有两种：一种是通过电磁耦合，即经过变压器传递信号，称为变压器耦合隔离放大器；另一种是通过光电耦合，光电耦合隔离放大器工艺简单、体积小重量轻，带宽更宽，更有应用价值。

（1）变压器耦合隔离放大器 AD202是一款较为典型的通用型、双端口变压器耦合式隔离放大器，其功能完备，无需提供外部DC-DC转换器。AD202由15V直流电源直接供电，它提供双极性±5V输出范围，可调增益范围为1至100V/V，最大非线性度（K级）为±0.025%，共模抑制（CMR）为130dB。其基本结构见图4.3-12。

（2）光电耦合隔离放大器 HCPL-7800隔离放大器主要面向电子电机驱动的电流感应设计。可检测到电机电流通过外部电阻所产生的模拟电压降，可以通过运算放大器转换成单端信号。由于现今的开关变频电机驱动系统普遍存在共模电压在数十纳秒内出现几百伏摆幅的现象，因此HCPL-7800采用可承受至少10kV/μs的超高共模瞬态变化压摆率设计。

HCPL-7800光隔离放大器基本结构见图4.3-13，它良好的共模瞬变抑制能力可在高噪声的电机控制环境下精确监测电机电流。芯片精确性和稳定性较高，适用于多种不同的电机控制场景。

67 全差分运算放大器

具有两个输入端（ U _IN+ 与 U _IN- ）、两个输出端（ U _OUT+ 与 U _OUT- ）和一个控制输出共模电压的输入端 V _OCM 及两个电源端。全差分运算放大器可以实现单端输入向互补性差分输出或差分输入向差分输出的转换及放大，它具有低失真、可驱动精密和高速模数转换器的特点。全差分运算放大器的符号与单端输入转差分输出基本电路见图4.3-14。电路的差分输出值=差分输入值×开环增益 A _UO （通常极大）。在 V _OCM 端加入一个电压，则两个差分输出端的共模电压（即两个差分输出信号的平均值）将等于 V _OCM 端电压。即两个差分输出端信号将围绕 V _OCM 输入电位产生方向相反的波动，这一功能可用于输出电平的调整。

全差分放大器集成芯片主要有AD8139、INA105、MAX4198等。AD8139是一种超低噪声、高性能差分放大器，其引脚说明与基本连接方式见图4.3-15。AD8139噪声低、动态范围大、频带宽，是驱动分辨率达18位的模/数转换器的理想选择。它使用方便，可以由四个电阻组成的简单外部反馈网络来决定放大器的闭环增益。芯片内部共模反馈架构允许其输出共模电压（由 V _OCM 引脚电压控制），内部反馈回路也提供了良好的输出平衡以及抑制偶次谐波失真。

68 集中选频放大器

对某一段频率或单一频率的信号具有突出的放大作用，而对其他频率的信号具有较强抑制作用的放大器，它一般由集成宽带放大器与集中选频滤波器构成，具有高增益与良好的频率选择性。

集中选频滤波器可采用陶瓷滤波器、石英晶体滤波器和声表面波滤波器等。其中声表面波滤波器具有体积小、重量轻、选频特性无需调整、延时特性平坦、波形失真小、适合高频、超高频工作等特性，可用于电视接收机的中频放大（带宽4MHz）、延迟线、振荡器（频率可达5GHz）与耦合器等。

集中选频放大器广泛应用于发射机的射频放大，接收机的中频放大以及通信系统中的单频导频信号放大。目前集中选择性放大器常用于手机等通信设备，已在很大范围内取代了单级调谐放大器构成的高增益放大电路。

3.5 低频功率放大电路

69 OCL和OTL功率放大电路

OCL和OTL是无输出电容器（Output Capacitorless）和无输出变压器（Output Transfomerless）的缩写。OCL和OTL功率放大电路都由NPN和PNP型晶体管组成互补推挽射极输出器。图4.3-16是乙类OCL功放电路，V ₁ 、V ₂ 在信号的正、负半周轮流导通，导电角略小于180°。当管子的 U _CES 可忽略时，电路的最大输出功率 ，此时电源消耗功率 ，放大器的效率 η 最高，等于π/4。乙类功放的优点是效率高，但有交越失真。为了克服交越失真，一般选用甲乙类OCL、OTL功放，电路见图4.3-17。甲乙类功放每一晶体管的导电角略大于180°，甲乙类OCL电路的 P _oM 、 P _V 、 η 可近似用乙类OCL电路的公式计算，甲乙类OTL电路的 P _oM 、 P _V 、 η 也可用这些公式计算，但需要将各公式中的 V _CC 用 V _CC /2代入。

70 集成功率放大器

具有甲乙类工作特性，其输出功率一般为2～100W，有一定电压放大倍数，且包含限流、散热等多重保护电路。常用的集成功率放大器有：耳机放大器、1～2W低功率放大器、12～45V电源电压中等功率放大器与50V以上高功率放大器。常用芯片有LM386、TDA2003、DG4000系列等。

（1）LM386芯片 图4.3-18是LM386的外形和管脚说明，其典型应用电路见图4.3-19。改变电阻 R ₂ 可以改变LM386的电压增益。当1脚和8脚之间开路时，电压增益为20；若在1脚和8脚之间接阻容串联元件，则增益可达电压放大倍数为200。改变阻容值则电压增益可在20～200之间任意选取，其中电阻值越小电压增益越大。例如，当电阻 R ₂ =1.2kΩ时，电路的电压增益 A _uf =50。

（2）TDA2003芯片 TDA2003集成功率放大器的主要特点是电流输出能力强，谐波失真小，各引脚都有交直流保护，使用安全，可以用于汽车音响等电路。图4.3-20是集成功放电路TDA2003的外形图，表4.3-2是它的引脚说明。

TDA2003的典型应用电路见图4.3-21。其中， C ₁ 为耦合电容； C ₂ 是抑制纹波电容； C ₄ 是输出电容其推荐值为1000μF，如果比推荐值小，下限截止频率会升高； R ₃ 和 C ₅ 的作用是提高频率的稳定性；电阻 R _X 和电容 C _X 决定电路的上限截止频率，其推荐值由 R _X =20 R ₂ 与 C _X ≈1 / （2π B · R ₁ ）关系式确定，其中 B 是带宽；电阻 R ₁ 用来设置增益，其推荐值由 R ₁ =（ A _u -1） R ₂ 关系式决定。

3.6 基本运算电路

71 加法和减法运算电路

加法运算电路及其输出与输入电压关系见表4.3-3。减法运算电路即集成运放组成的差动放大器，可参阅本篇第50条。

72 积分和微分运算电路

电路及 u _O 表达式见表4.3-4。

实际上，集成运放会受输入失调电压和失调电流的影响，电容器也会有漏电流存在，这些因素会使电路出现积分误差。在实际应用中可选用输入阻抗高、失调电压及失调电流小的运放；电容 C 可选用薄膜电容或聚苯乙烯电容器。另外，当信号频率非常低时，电容 C 会呈现较大的容抗，这时积分电路的增益会非常大，电路将有可能工作在临界开环状态。因而，实用积分电路常在电容 C 两端并联一个电阻 R _F 以减小低频增益，确保电路始终工作在闭环状态。基本微分电路抗干扰能力较差，且易产生振荡，实际应用中常用一只小电阻与电容 C 串联予以解决。

3.7 模拟乘法器及其组成的运算电路

73 模拟乘法器

符号见图4.3-22。输出电压 u _o 与两个输入电压之积成正比，即

u _o = Ku _x u _y

式中 K ——标尺因子，单位量纲是1/V。

模拟乘法器可以用对数、反对数运算电路组成，但电路复杂不易集成，且要求输入信号为单一极性。目前用得多的是变跨导式乘法器，两个输入电压可正、可负，属四象限乘法器。国产的集成模拟乘法器有BG314、F1596等，国外产品有AD532、AD834、AD630、AD734等。

74 模拟乘法器组成的运算电路

主要有平方运算电路、开方运算电路、除法运算电路等，它们的电路及输出与输入关系表达式见图4.3-23，图中A为集成运算放大器。