有三种类型的基本单元电路，差分放大电路、恒流源电路、功率放大电路。差分放大电路、功率放大电路是难点与重点。
设计实用的电路的思维是，先有一个需要解决的现实问题，根据目的从理论分析出发（非常理想），不断改正电路缺点，使电路更符合我们的生产需要。起初的电路一般都会有很多缺点，而想要完美解决，一般都是选择加管子提高电路质量。毕竟有优点就会有缺点，多用管子总比设计出低质量的电路要好。

二、正文

1.集成运算放大器简介

（1）概念

它是相对于分立元件电路而言的，将电子元件（晶体管、场效应管、二极管、电阻、电容等）和它们之间的连线制作在同一片半导体芯片上构成的具有特定功能的电路。
是一个直接耦合高增益的多级放大电路，它能够放大直流至一定频率范围内的交流信号。

（2）好处

密度高、连线短、外部接线大为减少，提高了电子产品的可靠性和灵活性；
能够完成数学运算（加、减、微分、积分、对数、指数），对信号进行线性和非线性处理

（3）符号

最左边的正号指正相输入端，负号为反相输入端，二者的电压相位是相反的。并且一个信号如果经过正相输入端输出，那么相位不变；若经过反相输入端输出，那么相位相反。

（4）电压传输特性

输出电压 $u_{o}$ 和输入电压 $u_{i}$ 之间的关系曲线称为电压传输特性
传输特性可分为线性区和非线性区两部分。两个区均有应用，在模电中常常用线性区。
教材P145

（5）组成

以上是集成运算放大器的结构框图。运放由这三级构成。输入级是差分放大电路（后面会讲），用于消除零点漂移；中间级是高增益电压放大电路；输出级是互补功率放大电路（后面会讲）。

（6）一个直观感受

这是我做模电实验时用到的运放，这不是重点，大家看看就好，反正挺复杂的。

2.多级放大电路的耦合方式

大家想一想，之前讲三极管的时候，基本放大电路仅能放大几十倍至几百倍，那如果还想要更大的放大倍数呢？多个放大电路耦合到一起，放大倍数就会乘乘乘地上去了（不过不能耦合太多）。

有四种基本耦合方式，直接耦合、阻容耦合、变压器耦合、光电耦合，但是我目前见到最多的是直接耦合与阻容耦合，因此我写写这个。

（1）直接耦合

①定义

直接将前一级的放大电路的输出端直接接到后一级放大电路的输入端

②优点

无耦合电容，低频特性好；
易于集成；

③缺点

前后级之间的直流通路相互影响，不容易设置静态工作点；
存在零点漂移现象（后面会讲）。

（2）阻容耦合

①定义

将前一级的放大电路的输出端通过一个电容与后一级放大电路的输入端相接

②优点

各静态工作点相对独立，容易设置参数；
只要耦合电容足够大，在一定的频率范围内，可做到前一级的交流输出信号几乎无损失地传到后一级放大电路，即：传输过程中交流信号损失小，放大倍数大；

③缺点

低频特性差，不能直接放大直流信号；
大电容不易集成。

3.多级放大电路的放大倍数计算

设多级放大电路的电压放大倍数为，每一级的电压放大倍数为、、···，则多级放大电路的总电压放大倍数为

$\dot{A_{u}}=\dot{A_{u1}} \cdot \dot{A_{u2}} \cdot \dot{A_{u3}} \cdot \cdots \cdot \dot{A_{un}} =\prod_{i=1}^{n}\dot{A_{ui}}$

由于前后级关系的存在影响，因此不能割裂地独立地看待各个放大电路，需要考虑前后级关系。讲了两种方法——输入电阻法、开路电压法，其实总的来说，就是

我们分析的本级电路的输入电阻为前级（如果存在前级的话）的输出电阻，输入电压为前级的开路电压，而负载为后级的输入电阻。

最后将会给两个例题分析。

4.多级放大电路出现的问题

（1）零点漂移（温度漂移）

①概念：人们在实验中发现，某些放大电路在输入电压为零时输出电压不为零，且随时间缓慢变化。

②原因：晶体管参数随温度变化而变化（故也称温度漂移，简称温漂），并且当放大电路增益大时，输入端出现小的变化，输出端显现出来的变化就会特别大了。

③最常用且最有用的解决方法：采用差分放大电路（作为第一级的电路，后面会讲）

（2）直流耦合放大电路的电位移动

前面说了，直流耦合放大电路的缺点是：静态工作点互相影响，不容易设置电路参数，并且如果多个NPN电路直接耦合，导致集电极电位逐级升高，使后级的静态工作点很难设置。

电位变化： $U_{B1}<U_{C2}=U_{B2}<U_{C1}$
解决方法：采用NPN与PNP相组合

教材P151
电位变化： $U_{B1}<U_{C2}=U_{B2}>U_{C2}$

5.差分放大电路

（1）需求与实现

前面说了，对于一个直流耦合多级放大电路，容易出现零点漂移并逐级扩大这种不良影响的现象，如何去消除呢（解决的原理在差分放大电路的共模动态分析）？

仔细分析：零点漂移的原因->三极管参数受环境温度影响而环境温度不断变化->而在一个小范围内温度变化都是相同的->这是一种对于一个电路中所有三极管都存在并且大小相等的信号->想办法消除这种共有且大小相等的信号->消除的同时也要放大我们需要的信号。

聪明的科学家就想到了现在所说的差分放大电路的结构。

差分放大电路是由两个特性完全相等的对称电路组成的，无论是电阻也好，三极管也好，都完全一致（实际当然不可能做到，但是尽可能要做到）。接着就来讲讲这个电路的特性。

（2）差模信号与共模信号

差分放大电路有两个信号 $u_{I1}$ 、 $u_{I2}$ ，现在定义两个信号：差模信号（有用的，要放大的信号）和共模信号（无用的，无放大作用的信号）。

差模信号： $u_{Id}=u_{I1}-u_{I2}$

共模信号： $u_{Ic}=\frac{u_{I1}+u_{I2}}{2}$

任意输入的信号都可分解为这两个信号

$u_{I1}=u_{Ic}+\frac{1}{2}u_{Id}$

$u_{I2}=u_{Ic}-\frac{1}{2}u_{Id}$

又定义

差模输入：两个输入信号幅度相等、极性相反

共模输入：两个输入信号幅度相等、相位相同

如何分析呢？

①假设输入两个任意幅值而相位相等的信号，可通过叠加定理分解为差模信号与共模信号，进一步组成差模输入与共模输入

②记

差分放大电路的差模电压放大倍数

$A_{ud}=\frac{\Delta u_{Od}}{\Delta u_{Id}}$

共模电压放大倍数

$A_{uc}=\frac{\Delta u_{Oc}}{\Delta u_{Ic}}$

其中 $\Delta$ 表示变化量。

（3）相关电路基础知识

由于差分放大电路是对称的，因此在差模或共模分析时，画微变等效电路，需要将电路中的电阻或电位点做一个等效，便于分析。

（4）四种组态

如上图所示，差分放大电路的输入端和输出端都有两个端子，这称为双端输入双端输出。实际上分为四类

双端输入双端输出
双端输入单端输出
单端输入双端输出
单端输入单端输出

每一类都有自己的特点和共性。

（5）差分放大电路的静态分析

（6）差分放大电路的共模动态分析

温漂和电源电压的波动对于电路的影响，就相当于输入了共模信号（大小相等，极性相同）。

①若是双端输出

理论上，只要电路足够对称，那么 $u_{Oc1}=u_{Oc2}$ ， $u_{O}=u_{Oc1}-u_{Oc2}=0$ ，此时共模电压放大倍数自然是0，表明抑制温漂的效果非常好。

②若是单端输出

此时作微变等效电路分析

有两个要点：

$\Delta u_{Ic1}=\Delta u_{Ic2}=\Delta u_{Ic}$ 可以根据电路图看出来
由于是共模信号，流过 $R_{e}$ 的电流 $\Delta i_{Re}=\Delta i_{E1}+\Delta i_{E2}=2\Delta i_{E}$ 。故等效为每个晶体管的发射极接的电阻为 $2R_{e}$

（7）差分放大电路的差模动态分析

①双端输入双端输出

作微变等效电路分析

要点：

由于电路对称，我们只需要取一半电路分析即可；
为什么会出来一个 $\frac{R_{L}}{2}$ 呢？对于电压变化量而言，假设某一时刻，负载左端电位为0.5V，那么右端一定是-0.5V，二者一定互为相反数，而根据电阻的定义式 $R=\rho \frac{L}{S}$ 知，负载电阻的中点电位一定等于0，把电阻从中间“切开”，相当于两个 $\frac{R_{L}}{2}$ 同时接地。

②双端输入单端输出

对比双入双出，只需要把其微变等效电路的输入电压 $\Delta u_{Od1}$ 改为 $\Delta u_{Od}$ 即可

若从C1输出，则差模放大倍数

$A_{ud}=\frac{\Delta u_{Od}}{\Delta u_{Id}}=\frac{\Delta u_{Od}}{2\Delta u_{Id1}}=-\frac{\beta {R_{L}}'}{2(R_{s}+r_{be})}$

若从C2输出，则差模放大倍数

$A_{ud}=\frac{\Delta u_{Od}}{\Delta u_{Id}}=\frac{\Delta u_{Od}}{2\Delta u_{Id1}}=\frac{\beta {R_{L}}'}{2(R_{s}+r_{be})}$

二者大小相等，相位相反（根据完整电路可清晰看出为何相位相反），集成运放中间级有时候就采用这种接法。

③单端输入双端输出

设 $u_{I1}=u_{I},u_{I2}=0$ （或者二者对调也行）。仍然是将该信号根据叠加定理分解。

那么我们可以发现，单端输入时，不仅仅存在差模信号，也存在共模信号。我们单就差模信号分析，把共模信号置0，可以发现，此时的差模放大倍数与双端输入双端输出完全一致。因此

$A_{ud}=\frac{\Delta u_{Od}}{\Delta u_{Id}}=\frac{1/2 \Delta u_{Od}}{1/2\Delta u_{Id1}}=\frac{\beta {R_{L}}'}{R_{s}+r_{be}}$

④单端输入单端输出

差模放大倍数与双端输入单端输出完全相同。

⑤总结共性

双入与单入：我们先从直观且简单的双端输入分析得到了差模放大倍数，而单端输入的信号可以分解成共模信号加上与双端输入完全一致的差模信号，因此双端输入与单端输入分析基本一致。
双出与单出：我们先从直观且简单的双端输出分析得到了差模放大倍数，而单端输出的信号会使差模放大倍数缩小一半。此外，在不同端子输出，相位相反。

（8）共模抑制比

差分放大电路很难做到完全对称，即便是双端输出，温漂也难以完全被抑制。为了衡量这种抑制温漂的能力，定义共模抑制比：差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比的绝对值。

$K_{CMR}=|\frac{A_{ud}}{A_{uc}}|$

或者用分贝数衡量

$K_{CMR}=20lg|\frac{A_{ud}}{A_{uc}}|$

在差分放大电路中，若电路完全对称

①双端输入双端输出

共模抑制比无穷大

②双端输入单端输出

③单端输入双端输出

共模抑制比无穷大

④单端输入单端输出

若想增大抑制温漂的能力，那么就要提高发射极电阻。但是，太大的电阻不易集成，如何实现呢？利用恒流源作有源负载替代 $R_{e}$ ，因为恒流源等效电阻很大（详见为什么恒流源内阻无穷大？ - 知乎）。

（9）恒流源差分放大电路

理论分析：稳压管两端电压稳定-> $U_{B3}$ 稳定-> $U_{E3}$ 稳定-> $I_{E3}$ 稳定-> $I_{C3}$ 稳定->相当于恒流源->对交流信号而言为短路

我做了个仿真

放大倍数=-4.001/0.0012135=-329.625倍

优点：共模抑制比很大并且不影响差模信号的放大。

6.集成运算放大器的电流源

电流源能够输出稳定的直流电流，也称为恒流源。在集成运放中，电流源有两个作用

设置静态电流，确定静态工作点
取代大电阻作为有源负载，以增强电路的放大能力。

因此这个玩意儿使用非常灵活。替换：之前基本电路的电阻/设置静态工作时的电流。我后面会写实例出来。

（1）镜像电流源

两个双极性晶体管完全相同，且两管的基极和发射极分别相连，从电压源开始，按照电流顺序分析。

电流流过电阻R，然后会直接经过导线，电流会分流为两个三极管的基极电流，这两个电流时相等的，可以类比为一个电流流过两个特性相等的元件，分流大小相等。产生基极电流后，会产生集电极电流与发射极电流，由于VT1与VT2基极电流是相等的，因此有VT1和VT2的集电极电流、发射极电流相等。

有同学会说：为什么导线短接了三极管，集电极却还是有电流？格局小了，这里是零偏状态，三极管此时处于放大区的边界，只要有基极电流，根据它的特性就会产生集电极电流和发射极电流。

称通过电阻R的电流为基准电流。基准电流几乎仅由VCC和R决定，因此输出电流Io也如此，能够抵抗环境温度的变化，受温度影响小，达到稳定静态工作点的作用。

缺点：太死板了，如果需要输出电流很小（微安级），那么需要很大的电阻R（兆欧级），不容易集成。

（2）比例电流源

输出电流与基准电流成一定比例关系。

（3）微电流源

有些集成电路需要一个微安级的微电流源，便设计了这个电路。

（4）在电路中判断电流源作用

T3、T4构成镜像电流源，提供了稳定的电流 $I_{CQ1}$ 和 $I_{CQ2}$ ，目的是作差分放大电路的有源负载 $R_{c}$ ，由于此时负载受到的电流为 $I_{C2}+I_{C1}=2I_{C}$ ,因此把差放单端输出的放大倍数提高了一倍；

T5、T6构成镜像电流源，提供一个稳定的静态电流 $I_{EQ}$ ，目的是作差分放大电路的有源负载 $R_{e}$ ，提高共模抑制比；

7.互补功率放大器

（1）核心问题

目的：在多级放大电路中，通常要求放大电路能为负载提供较大的输出功率。光有放大的电压是不行的，假设负载是一个扩音器，功率大，才能把声音放很大。
要求：效率要高，如果效率不高，那么许多能量都白白损失，没用到功率放大上；尽量减小非线性失真，如果扩音器出现了非线性失真，那么声音就会出现嘈杂声，明显用不了。

（2）甲类放大状态

①定义：设置静态工作点在交流负载线中心，有较大的不失真电压幅度，且输出功率大，但是效率较低（只有百分之25左右）。

②效率低的原因：静态工作点设置过高。假设不加输入信号，晶体管管耗 $P_{V}=I_{CQ}U_{CEQ}$ ，集电极电阻消耗功率 $P_{R}={I_{CQ}}^{2}R_{c}$ ，这两个功率之和已经约等于直流电源提供的功率了，并以热量散失（无用的功率损耗）。加了我们需要放大的信号后，这些功率才转化为有用的功率损耗。