放大电路中的有源负载

在放大电路中，若采用晶体管恒流源取代集电极负载电阻，便构成所谓“有源负载放大器”。这种电路的电压增益特别高，例如近代的集成运算放大器，一般只需要两个增益级就能达到十万倍以上的电压放大倍数，这是采用电阻负载无法实现的指标。为什么有源负载放大器有如此高的增益？通常运用哪些形式的恒流源作负载？在何种电路中适宜采用它？对这些问题，本文将分别说明。

我们知道，如图1a所示的共发射极放大电路，其电压放大倍数A\(_{u}\)=βRChie（忽略晶体管的内部反馈）。式中β和hie分别为晶体管的电流放大系数和输入电阻，R\(_{C}\)为集电极负载电阻，“－”号表示输出电压与输入电压反相。由上式可见，在晶体管确定的条件下，要想提高电路的电压增益，主要途径是增大RC的阻值。但负载电阻的取值不能太大，因为R\(_{C}\)越大，其上的直流压降ICR\(_{C}\)就越大，在一定的电源电压条件下，集电极到发射极间的静态电压UCE就越小（U\(_{CE}\)=EC-I\(_{C}\)RC）。U\(_{CE}\)减小，将使放大器的动态范围（在不产生失真的条件下，输出电压所能摆动的最大范围）减小，这样便限制了放大器的输出幅度。因为输出的交流信号电压uce是叠加在静态电压U\(_{CE}\)之上的（图1b），它的振幅Ucem不能超过U\(_{CE}\)，超过了便产生失真（图1c）。所以，单纯靠增大RC来提高增益是不妥当的。如果采用晶体管恒流源作负载，则可以妥善地解决这个问题。

图2a所示为单管有源负载放大器。图中BG\(_{1}\)为放大管，信号从它的基极输入，集电极输出。BG2为负载管，它和R\(_{1}\)、D组成BG1的“负载”，因为这种负载中包含有源器件晶体管，所以叫有源负载。二极管D为正向接法，当接通电源后，其正向压降U\(_{D}\)就作为BG2的基、射间偏置电压，因为U\(_{D}\)近于定值，所以UBE2也近于定值，I\(_{B2}\)不变，于是IC2也接近恒定。即BG\(_{2}\)、R1和D组成了恒流源，故放大管的这种负载也称为恒流源负载。用恒流源作负载，克服了用电阻作负载的放大器中当R\(_{C}\)之值取得很大时动态范围小的缺点，这是因为恒流源的直流电阻可以调整得很小。例如，当我们设法改变UBE2的值（选用不同的二极管D或在二极管下面串联一只小电阻），而使BG\(_{2}\)的基极电流等于图2b上的IB2时（图2b为BG\(_{2}\)的输出特性曲线），只要在BG2的C、E极之间加一个较小的电压U\(_{CE2}\)，就能得到一个较大的电流IC2，而U\(_{CE2}\)/IC2就相当于恒流源直流电阻，显然，这个电阻值是很小的，这样就不至于象集电极负载电阻R\(_{C}\)那样过多地占去电源的直流压降，使BG1的U\(_{CE}\)维持所需的数值，所以确保了放大器的动态范围。

另外，从图2b看出，I\(_{B2}\)曲线仅是略微上翘，在Q点附近，UCE2较大的变化ΔU\(_{CE2}\)所引起的IC2变化ΔI\(_{C2}\)非常小，所以BG2管C、E间的动态电阻r\(_{ce2}\)=ΔUCE2/ΔI\(_{C2}\)非常大，这就是恒流源电路的恒流特点。正因为如此，才能使放大管BG1集电极电流的变化充分反映到负载上去，获得较高的输出电压，从而使放大器具有较高的电压放大倍数。

用晶体管恒流源作负载，重要的一点是设法使恒流源的电流尽量趋于恒定，这样才能呈现出较大的动态电阻。在实际中往往把图2a电路中的恒流源接成图3a的形式，基极有两个串接二极管，同时在发射极串接小电阻R\(_{2}\)。这种偏置除了利用二极管的温度补偿作用外，还利用了R2的负反馈作用，使恒流源的电流更加稳定。

图3b为另一种恒流源电路。稳压二极管D\(_{Z}\)采用反向接法，两端电压恒等于稳定电压UDZ。相对于A点来说，D\(_{Z}\)把晶体管的基极固定于UDZ的电位。当I\(_{C}\)（IE）上升时，U\(_{R1}\)增加，田于UDZ是固定不变的，U\(_{R1}\)增加势必使UEB减小，I\(_{B}\)减小，从而使IC（I\(_{E}\)）减小。当IC减小时则与上述过程相反，于是牵制了I\(_{C}\)的变化，使它趋于恒流。

在集成运算放大器中，广泛采用恒流源电路。除了用它提供偏置和作电平移动外，也用来作有源负载。常用的恒流源电路如图4a所示。图中BG\(_{1}\)的基极与集电极相联，当电源接通时，便有电流通过R及BG1的基极和集电极，同时也给BG\(_{2}\)提供基极电流，使其工作，获得IC2。因两臂的U\(_{BE}\)相等，所以它们的集电极电流也相等，并且都是恒定的，它们的值近似为（EC-U\(_{BE}\)＋EC）/R。在两个晶体管中，通常选BG\(_{2}\)为有源负载，BG1和R只是作为BG\(_{2}\)的偏置电路存在。此电路用在运算放大器作差分输入电路的有源负载时，一般在两管发射极串接等值电阻R1和R\(_{2}\)（图4b），并从其上端引出外接调零端子。

下面让我们权衡一下，在什么情况下适于采用有源负载。对晶体管放大电路，若用恒流源作负载，需多用一只晶体管。如果把多用的这只管子做成一级放大器，和原来用电阻作负载的放大器级联运用，同样可获得较高的电压增益。这对阻容（或变压器）耦合放大器是完全可以的。因为交流放大电路虽然也有工作点稳定问题，但各级工作点的变化不会通过隔直电容加到下一级，更不会逐级放大，所以电路比较稳定。但是对于直流放大器，级间直接耦合，前一级工作点的变化会被逐级放大。增多了级数，也就增加了温度漂移，使电路不能正常工作。所以对温度稳定性要求较高、放大倍数要求较大的直流放大器，总是采用较少的放大级数，而运用有源负载来提高单级放大器的增益。例如，对图5所示的串联型稳压电源电路，要想提高输出电压的稳定度，主要措施是提高其中比较放大器的电压放大倍数。但比较放大器进行直流放大，不便运用多级，于是在本电路中把它做成单级有源负载放大器。其中BG\(_{2}\)是比较放大管，BG3、R\(_{4}\)、R5和D\(_{Z1}\)组成它的有源负载（运用图3b的形式）。这种放大器有较高的电压增益，所以该电源有良好的稳压性能。

另外，在运用有源负载时、还要注意外接负载的大小。众所周知，当一个放大器接上负载R\(_{L}\)之后，总负载为RC与R\(_{L}\)并联，其值RCR\(_{L}\)/（RC＋R\(_{L}\)）＜RC，故放大倍数比空载时降低，并且R\(_{L}\)越小，降低得越显著。可见，当外接负载较小时，即使用有源负载取代了RC，也无济于事，不能提高增益。只有当外接负载值较大时，才能发挥有源负载的作用。例如，对图6所示的SR8型示波器中Y轴后置放大器的输出电路，就属于这种情形。本电路由四只晶体管组成，是双端输入、双端输出共射差分放大电路。BG\(_{1}\)、BG2为差分对管，BG\(_{3}\)、BG4分别组成它们的有源负载（图中虚线框内）。双端输出接到示波管的两块垂直偏转板上，这种负载的阻抗特别高，所以本电路具有较高的增益。

当有源负载放大器作级联运用时，要注意下一级放大器输入电阻的大小。若下一级是单管共发射极放大电路（没采用复合管），因其输入电阻较低，一般不能直接相联，而要在两级之间加一级射极跟随器起阻抗变换作用。例如，在图7所示的电路中就考虑到了这种情况。该图为F006型集成运算放大器的部分电路，组件的输入级是由BG\(_{1}\)、BG2、BG\(_{3}\)和BG4组成的共集——共基差分放大电路（本刊1981年第2期第38页介绍过），被放大的信号从3、4双端输入，由BG\(_{3}\)集电极单端输出，BG5作为BG\(_{3}\)的有源负载（图4b的形式）。本级输出经过BG13组成的射极跟随器，接到BG\(_{14}\)的基极。BG14是电压放大管，BG\(_{15}\)作为它的有源负载，即跟随器前后两级均为有源负载放大器。因后级接成共发射极放大电路（发射极通过50Ω小电阻接电源），其输入电阻较低，所以在它之前用了跟随器作阻抗变换（隔离），这样便保持了前级有源负载放大器的高增益。

总之，对稳定性要求较高、电压放大倍数要求较大、外接负载阻抗较大的直流放大器，适宜采用有源负载。(林萌森)