diy了一个运放，请教一个困惑已久的问题

zcf1994

近来也diy了几个功放，没有前级？用集成运放啊！唔。。。总感觉一块ic在那里不舒服。。那就彻底发挥下diy精神吧 ！diy一个运放
本穷烧也是刚接触放大电路这块没多久，理论知识非常匮乏，复杂的完全不会搞，就设计了一个最简单的运放
我都不知道是叫它运放还是功放。。感觉就是一个微缩版的去掉了末级大管的功放 。实际上我一直认为很多功放的电路构架和运放都是大同小异，不知道我的看法是否正确。不过有个困惑已久的问题一直不知道如何解决，真心想请教下大家
下面开始上图，整个电路非常简单，没几个元件。

zcf1994

哈哈这就是在修修补补后定型的电路。总体变化不大
供电电压12V-50V一点问题都没有，如果把输出级管子换成耐压高的大功率管，上100V也毫无问题。静态电流5ma以内

差分级没有使用复合管，感觉性能提升程度可能还不及管子差异带来的问题，一对管子足以胜任

差分输入级电流调小了很多，约为200ua左右，可以使偏置电流降低到700na左右是原来的十分之一

恒流源偏执电阻下面接了个led作为电源指示灯

共射放大级电流也降低到＜1ma，这样可以降低为Q7提供较大基极电流造成的Q3基极电压的升高。两个4148为输出级提供静态偏置以消除交越失真

输出级使用了倒置达林顿结构，静态电流2.8ma左右。
由小功率对管2n5551/2n5401和中功率对管 tip41c/tip42c构成（tip41c没有，我用的BD243C，影响不大），
这种异极性达林顿配置不仅可以提供远大于单管的电流放大倍数，同时不降低输出电压幅度。同极性达林顿的两个pn结压降1.4v还是有点大。

限流保护用电阻分压式限流保护电路，限制最大输出电流约为2A以内，对于瞬间过载或短路有一定作用，当然长时间的话这点散热管子肯定吃不消的
也可以适当改变R11 R14 和 R12 R15分压比降低过流保护的启控电流

有很多东西还不太了解，设计也会有不少不合理之处，还望大家多多指教下

zcf1994

这就是这个运放的电路了，不会软件画图画得不好莫喷啊
整个电路由12只晶体管构成，为了制作方便，管子全部为 5551/5401对管。
差分射极恒流源电流设定为2ma，每管1ma。 共射放大极恒流负载设定为3.3ma
互补推挽输出级我加了限流保护电路，防止输出短路或过载时烧毁管子，最大输出电流限制在70ma左右，实践证明这个方法还是很有效的
供电电压12-40V都没问题。输出级换大点的管子也可以上更高的电压

zcf1994

接下来是重点，一个困惑已久的问题。差分管为晶体管，导通需要一定的电流流入基极，
我接成这铬11倍同相比例放大电路，此处是当做运放用所以不加反馈落地电容，然而这样就导致了一个问题，
三极管基极需要注入电流，我的 + 输入端接地偏执电阻为10K，流入Q3基极的电流必然在10k电阻上产生压降，导致Q3基极电压要低于地电压也就是低于0V，
由于10k电阻上产生了压降（实为70mv，电流约为70mv/10K=7ua），Q3的基极电压为-70mv，而差分两管参数是相同的（一般差异可忽略不计），所以 -  输入端也就是Q4基极电压也会自动被负反馈控制为和Q3基极一样的电压也就是-70mv
这样就导致输出端电压为 -70×11= -770mv，已经严重偏离了输入参考的0V地电位。
而且如果用阻值大于10K的电阻，基极电流在电阻上产生的压降还会更大，导致输出偏离输入电压更多！
当然如果作为音频放大的话一般我们都会加反馈电容，直流全被负反馈，静态下就等于一个电压跟随器，两个10K电阻上的压降基本相同，所以输出基本会和输入一样为0v
可能我的表达能力不是太好，不知道大家看明白我的问题没有 。真心想解决这个问题，设计一个真正的能直流工作的运放。我的想法是用场效应管作为输入，G极输入阻抗极高不需要电流，所以可以保证G极电压和参考电压一致，那样便不会产生这样的问题
问题是手头只有To247的大管，不太好做试验，
我还想到一种办法是在+输入端给与一定的正电压，可以用一个二极管产生的0。6v压降和一个电位器调节电压，和输入端偏执电阻压降一致，这样基极电压就是0V了，但是这个办法作为运放的话完全不实用！
想知道双极型输入的集成运放又是如何解决这个问题的，在使用集成运放的时候完全没有这个问题啊

swsw4321

支持，送你本书http://www.678pan.org/file-240303.html

zcf1994

swsw4321 发表于 2018-6-16 21:23
支持，送你本书http://www.678pan.org/file-240303.html

打不开页面啊

牛骑兵

你只需要把正相输入端的那个电阻换成900欧姆，这个问题就应该能够解决了。

或者，也可以把负相反馈电阻换成11K+110K的组合。

zcf1994

牛骑兵 发表于 2018-6-16 21:32
你只需要把正相输入端的那个电阻换成900欧姆，这个问题就应该能够解决了。

或者，也可以把负相反馈电阻 ...

想过减小偏执电阻，可以减小上面的压降，但是那样作为运放，输入阻抗很低了，高输入阻抗的优点荡然无存了啊！很多时候测量的信号都是输出阻抗极高的，

牛骑兵

其实双极输入的运放也同样是有这个问题的，只不过人家把输入偏置电流压到了1uA量级，所以问题就没那么明显。

你这个电路的输入偏置电流应该在50-100uA量级，比人家大了100倍，表现当然会严重一些。

zcf1994

牛骑兵 发表于 2018-6-16 21:35
其实双极输入的运放也同样是有这个问题的，只不过人家把输入偏置电流压到了1uA量级，所以问题就没那么明显 ...

是指差分级的电流吗？就是把差分管电流调低是吗？我一直以为差分管电流得要1ma左右才行，看来得多学学了

Lou

zcf1994 发表于 2018-6-16 21:39
是指差分级的电流吗？就是把差分管电流调低是吗？我一直以为差分管电流得要1ma左右才行，看来得多学学了

普通三極管差分在 1mA 聲音較好。可是 opa 中並非使用標準三極管。若使用高放大倍數，電流減少仍可維持線性區，輸入漏電也小，輸出漂移也少。而且兩個差分在同個晶元上。

若輸入端是 fet，它們兩個的偏壓會一樣。你知道 fet 其實是4支腳的動物嗎？改變底部偏壓還能調整靈敏度呢！

IC 用分立零件作，好玩是好玩，性能是趕不上的。連配對都免了。

大部份給電晶體做偏壓的電阻，事實上是用電晶體做的。因此阻值隨電晶體的放大率而變，這叫做比例式電阻。

這也是為何 op 電壓可從 +/- 15 V 到 +/- 1.5V 都能運作，分立式就辦不到。

最近流行 Class AA C-7000 前級的仿製. 差分是 2SK389, 兩個 FET 共 7 隻腳, 居然沒人問多出來的腳是幹什麼的, 真是悲哀 !

牛骑兵

zcf1994 发表于 2018-6-16 21:39
是指差分级的电流吗？就是把差分管电流调低是吗？我一直以为差分管电流得要1ma左右才行，看来得多学学了

就是这个差分级电流，这个电流以及对应的基极电流，对于运放的很多主指标起着决定性的影响，例如输入偏置电流Iib及失调电流Ios、输入阻抗及输入级噪声、共模及差模输入范围、运放的增益带宽积和压摆率等等，有些指标关系还是矛盾的。

所以设计开发了很多种输入级结构，来解决这个问题。例如JFET输入级、复合管输入级、超薄基区输入级、串联射极电阻输入级等等，以实现对应的指标。

大部分普通的双极型差分输入级的恒流源是几十个微安的量级，其中一个很重要的方面是满足10楼Lou兄所提到的的线性区和放大倍数有效区的要求。如果电流再小，差分管的放大倍数就会严重衰减了，会带来更恶劣的影响。

不管怎么说，楼主居然能够想到用分立元件搭出OPA，算是个有想法的人，必须鼓励！

牛骑兵

嗯，8楼写错了，楼主电路的输入偏置电流应该是5-10uA，输入管的电流放大倍数按100-200来算。

而大部分的常用双极输入级运放的输入偏置电流是在1uA以内，常见的是100-500nA，两者相差是10倍左右。

部分双极运放型号输入偏置电流可以落在100nA以内，才会相差100倍。

ACDC2017

这种做法就是典型的自己给自己找麻烦，用分立件搭运放，在性能上比集成IC要差，电子电路设计的原则就是：
有集成就用集成，无论是前级还是后级，都是集成优于分立，但这个似乎在DIY界被扭曲了，认为分立比集成
更好，这不符合事实，违背规律的事情还是不要做了，我们的目的就是追求更好。

Lou

他愛怎麼玩沒什麼不好。創新往往是從原來意想不到的地方中出現。重點是他要學到東西，並且能有正確的結論。

zcf1994

Lou 发表于 2018-6-16 23:37
普通三極管差分在 1mA 聲音較好。可是 opa 中並非使用標準三極管。若使用高放大倍數，電流減少仍可維持 ...

感觉完全蒙圈了，需要学习的东西太多了，谢谢你的干货科普

zcf1994

Lou 发表于 2018-6-17 05:16
他愛怎麼玩沒什麼不好。創新往往是從原來意想不到的地方中出現。重點是他要學到東西，並且能有正確的結論。

对，就是好奇运放的原理而不是想要有什么超高的指标，感觉很多东西自己做了才能明白的更深一点

zcf1994

ACDC2017 发表于 2018-6-17 04:17
这种做法就是典型的自己给自己找麻烦，用分立件搭运放，在性能上比集成IC要差，电子电路设计的原则就是：
...

性能的话集成运放优于分立肯定没得说！不论是原件参数一致性还是功能，集成可以做的很完善，分立要做出哪怕同样的线路就要麻烦的多而且得不到保证。不过了解的一个途径，做分立的更具有趣味性，或许这就是"折腾"吧

zcf1994

牛骑兵 发表于 2018-6-17 02:42
就是这个差分级电流，这个电流以及对应的基极电流，对于运放的很多主指标起着决定性的影响，例如输入偏置 ...

这么晚了仍在为大家答疑解惑，在下感激不尽！我昨晚把差分输入级电流调到200ua，这样偏置电流降到了1ua。但是发现共射放大级电流如果和差分级电流不一致，我这里是3.3ma,会使两个差分管b级电压相差几mv。如果共射放大级电流也弄到200ua，两管基极电压就相差＜1mv，基本相同。看来电流镜也不能完全让两管电流相同，我猜是因为左边的差分管还要额外给电压放大级提供基极电流的缘故，而这个基极电流是不经过电流镜。

zcf1994

牛骑兵 发表于 2018-6-17 03:52
嗯，8楼写错了，楼主电路的输入偏置电流应该是5-10uA，输入管的电流放大倍数按100-200来算。

而大部分的 ...

但是如果电压级电流和差分级一样小，会导致输出级在信号负半周激励电流很小，三极管倍数有限，输出能力大打折扣！但是运放输出级没见用达林顿管的。我想能不能在电压放大级用达林顿，这样可以让差分管用很小电流让电压放大级工作在较大电流下，让差分管工作状态更一致

牛骑兵

zcf1994 发表于 2018-6-17 05:45
这么晚了仍在为大家答疑解惑，在下感激不尽！我昨晚把差分输入级电流调到200ua，这样偏置电流降到了1ua。 ...

应该是这样，Q7的基极电流要流入Q3，会导致Q3的基极电压抬高一些。

当Q3集电极电流与Q7基极电流的数量级接近的时候，就会导致这个抬高比较明显。这个抬高的比率是是可以理论计算出来的，大概每4%抬高1mV。

如果中间级的电流是3.3mA，那Q7基极电流差不多就是20-30uA的样子，差分单管200uA时，差不多是2-3mV的抬升；差分单管100uA时，差不多要抬升4-5mV。

不过，这个数量的Vbe差异，对于差分管而言，如果不经过仔细挑选，估计两个管子之间本身的误差也可以覆盖了吧。