模电基础:互补输出级
本文讨论了集成运放输出级的设计优化。指出射极跟随器虽具有输入电阻大、输出电阻小的优点,但存在负载直流损耗问题。提出互补输出电路作为更优方案,采用NPN和PNP管共基共射连接,通过UBE倍增电路解决交越失真问题,并可用三极管替代二极管实现电压灵活调节。最后介绍准互补输出级OCL电路,通过复合管形式减小不同类型管子的性能差异。全文侧重定性分析互补输出级原理,而非定量计算。
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集成运放中最为核心的有4个模块:输入极、中间极、输出级以及偏置电路。输入级可以采用差分放大电路,极大程度的抑制了共模信号,放大差模信号,从而做到只抓取交流信号,过滤直流信号。中间极可以采用共射放大电路或共漏放大电路来快速提高电压放大能力。偏置电路可以采用上篇文章的镜像电流源电路。
现在只剩下输出级没有解决了。我们曾在三极管的三种接法中讨论过共集放大电路(射极跟随器),他具有输入电阻大、输出电阻小的优良特性。但是仅仅是他够用吗?本篇文章将从射极跟随器的缺点谈起,了解一下互补输出电路的更优解。不过本篇文章主要是从定性的角度理解互补输出级的原理,而非定量计算。
一、输出极需要的特性
作为一个输出端,他不仅要承接中间级的输出(集成电路中采取直接耦合连接方式);还要求输出电阻小,达到带负载能力强;最后一般还要求电路内部的直流损耗小,负载无直流功耗等。
二、射极跟随器的缺点

所以简单的使用射极跟随器作为输出级是显然不行的,我们需要更加优秀的设计来避免负载有直流损耗。
三、原理性的互补输出电路
互补输出电路采取两个工作特性类似的NPN管、PNP管共基、共射的方式连接在一起。
可以看到两个管子在初始情况下,一个接了+VCC、一个接了-VCC。这是为了保证集电结反偏,给以后的ic提供背景环境。但是至于有没有ic,还是由UBE是否达到开启电压决定的。
四、交越失真问题及其解决方案
上面我们是基于完全理想的三极管来分析的,也就是没有考虑PN结的开启电压,实际上的三极管需要有0.7V的开启电压才能进入工作区(对于输入信号小于0.7V时候我们称为死区电压)。
所以我们就需要再静态时,就已经满足临界导通状态,而不需要依赖于输入信号来开启工作。
补充理解:
(1)当O点(输入点)输入正信号的时候,T1的的二极管P端是通过上方的VCC获得的电位,而P又于T1管子的基极B相连,进而影响到T1的B点电位,产生UBE差值,(由于E点看做为0)。根据UBE-iB曲线可知ib增大了,进而导致ie增大,从而Uo增大,体现正信号的传输过程。但是由于共集连接方式(射极跟随器)所以电压几乎没有放大增益。
(2)UBE的压降刚好就是前面二极管的开启电压,所以三极管的ib电流也几乎为0,对于输出没有任何影响。
五、使用UBE倍增电路替代上述二极管
但是我们在工业中往往制作三极管更为精准,一致性较好,而制作二极管可能没有那么优良,所以我们想用三极管来替代原本的二极管。
使用这种UBE倍增电路还有一个好处是可以自由的调节b1、b2之间的电压,而使用二极管则固定死了只能用0.7V*2作为电压降。不过值得注意的是,当R3、R4不同时,两端的电压不再是均分了。
六、准互补输出级OCL电路
虽然我们说两个NPN、PNP管子要求理论上性能一致,但他们毕竟是属于两种不同类型,制作的时候难免会有差别,所以我们采取复合管的形式,让负载看到的是同一种管子,误差会更小。
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