模电基础：多级放大电路与集成运放的认识
目录
一、引言
二、耦合方式
（1）直接耦合
（2）阻容耦合
（3）变压器耦合
（4）光电耦合
三、动态分析
四、集成运放的特性与组成
五、集成运放的表示符号及电压传输特性
一、引言
前面我们学的都是利用单个元器件搭建的放大电路，但是无论是晶体管还是场效应管的放大能力都是有限的，不足以支持需要极大程度放大的场景，于是人们选择用多个放大电路级联，也就是我们说的多级放大电路。
同时由于各个基本单元电路的综合性能不强，比如共射放大电路着重于电压、电流放大，但是输入输出电阻性能不好；共集放大电路虽然仅有对电流的放大作用，但电阻性能良好；共基放大电路无论是放大能力还是电阻都不如上述二者，但是却有着良好的同频带，适合用于通信设备。
正是由于各个基本单元电路各有千秋，将他们组合起来，对外呈现一种综合性能极好的元器件，我们称为集成运放。他往往具备各种基本电路的优点。比如输入电阻大、抓获信号能力强；输出电阻小，带负载能力高；放大倍数高等。
二、耦合方式
集成运放中一定有着大量的基本电路，如何将他们耦合连接到一起成了一个值得思考的问题。我们之前曾对共射放大电路采取直接耦合、阻容耦合的方式，但其实还有着许多的方式，我们逐一分析。
（1）直接耦合
直接耦合是在集成电路中运用最多的，因为其没有采取电容这样的设备，而几乎全是电阻、MOS管、晶体管等原件，便于工业设备生产。同时由于没有电容“隔直通交”的阻挡，他对于低频缓慢变化的信号适应性强。甚至还利于性能的提高，因为电容会对电信号产生容抗，推迟信号的传递，这种直接用导线连接的方式直接避免了这一缺点。
虽然直接耦合有着这么多优点，但是有些缺点是不可避免的。比如各级电路会相互影响，如果哪一级电路产生了损坏，错误的信号会逐级上传，最终得到一个错得离谱的输出信号。比如前面我们提到的温度T对晶体管特性曲线的影响会导致输出回路静态工作点发生改变，而产生的饱和、截止失真问题。
同时由于各级电路直接耦合的方式，上一级的Q点的变化甚至会影响下一级。最为知名的就是“零点漂移”问题。他是指在输入为0的时候，由于温度变化产生及其缓慢的变化信号，而这个信号被逐级放大传递，最终输出不为0的错误。
即使我们已经有了分压式偏置电路这种绝妙思想，仍然无法完全解决问题。毕竟他依赖于Re的负反馈作用，但这仅仅适用于温度变化不大的情况。然而在工业中，温度变化可能从-20°到80°，这是一个极大的变化，对于特性曲线的影响是非常大的，无法完全依赖于Re负反馈。我们在后面会用到差分电路来解决。
（2）阻容耦合
这是一个分压式偏置电路，同时将共射与共集结合到一起，既有放大能力，还有良好的带负载输出能力，可以看出一点集成运放的影子了。
阻容耦合的优点在于隔绝每一级电路的相互影响，毕竟直流信号是无法通过大电容的。但也正是因为“隔直通交”的特性，他不能用于输入信号缓慢变化的情况，比如各种传感器。同时由于他需要采用大电容，这在工业集成中是困难的事情，不利于成本的降低和器件的缩小。所以在集成电路中很少会使用到它。
（3）变压器耦合
变压器耦合是一种古老原始的技术，他同样做到让各级电路独立，因为直流信号无法通过变压器。他还能通过线圈的匝数来变换两边的阻抗。不过由于其必须含有变压器这种大物件的存在，也不利于集成；同时其低频特性较差，不能放大缓慢变化的信号；然后变压器本身对于信号也会有一定程度的损耗，传输效率低。
（4）光电耦合
光电耦合是利用发光二极管、三极管等原件制成的，可以先将电信号的变化转换成光信号，然后对端接受光信号后再转换成电信号。
显然他可以通过光纤等实现远距离传输。然后由于他实现了光电转换，极大程度上避免了其他元件的电信号干扰。但由于他需要独立的光电耦合器，这在集成电路中是不希望的，而且集成电路似乎也不需要远距离传输的特性。综上他在集成电路中的应用也不多。
三、动态分析
我们上面谈到了这么多的耦合方式，但仅仅是讨论了各级电路之间的连接方式。对于一款放大电路而言，最重要的还是动态性能指标。
定性的分析，可以认为最终的放大能力是各级基本放大单元的累乘、而输入输出电阻近似可以看做进出口级单元电路的输入、输出电阻。不过由于各种电路的结构复杂，这只是近似看做，具体的值还需要具体分析。
下面我们以一个例子来计算一下：
这是一个两级放大电路，前一级采用共射的方式，提高放大效率；后级采取共集的方式承接上一级的电压，并且对于输出电阻提供良好的特性。
我们直接来分析其动态属性：
这里的交流等效模型较为难画，需要谨慎仔细，依旧满足h参数等效模型：b、e之间等效出电阻；c、e之间等效出受控电流源，流向根据NPN、PNP的类型具体判断。
四、集成运放的特性与组成
集成运放往往具备以下特点：
（1）采用直接耦合方式，因工艺中不易制作大电容。
（2）工艺制作的管子一致性好（如双极型管），便于设计具有对称性的电路，例如差分电路、电流源电路、互补输出级电路。
（3）用有源元件来替代无源元件：如 MOS 管、BJT 管可替代电阻。
（4）允许采用复杂的电路形式，工艺中增加元件不用增加制造工序（成本）。
（5）多采用复合管。
集成运放由于有许多单元模块组成，实际工业中会将其封装成一个黑盒子、就好像原来我们对PN结的封装一样。但是无论怎么封装，核心都包含了四模块：输入级、中间级、输出级，以及用于给每一级施加静态工作点的偏置电路。
输入输出级往往采用共集放大电路（射极跟随器）或者共漏放大电路（源极跟随器），因为他们的输入、输出电阻特性十分优良，有着提高负载能力、抓取输入信号好的特点。关于中间级往往是直接耦合共射放大电路、共源放大电路，利用其良好放大属性。
五、集成运放的表示符号及电压传输特性
既然我们已经将集成运放封装成了一个黑盒子，那么给他一个特殊的电路符号是非常有必要的。同时我们以后学习的各种单元（差分、镜像电源等）都是在这个黑盒子中的，而运算电路（比例计算、积分运算等）则是利用多种黑盒子继续拼装而成。
可以看到符合“双端输入、单端输出”的特点。同时还有着+VCC、-VCC提供电源，这个电源是理论上该集成运放输出电压的极限值。
这是该集成运放黑盒子的工作区域，只有当差模信号在线性区的时候才能被放大。而一旦到了非线性区，值全都变为同一个了。
其中这个Uom是最大输出电压。虽然电路的理论最大电压是+-VCC，但是由于晶体管等元件会有管压降，使得输出电压只会比VCC小，而这个Uom是考虑了电路元器件限制之后计算出的最大输出电压。
最后由于集成运放的开环增益极大，可能在几万倍甚至几十万倍，这需要我们的输入电压及其微小，往往在μV级别，这是不现实的，所以实际中会运用负反馈将输入信号的一部分反接回输入中，抵消部分输入信号。最后使得输入信号可以工作在线性区。