集成运放的基本组成电路

集成运放的外形特点→ 基本组成电路框图 → 偏置电路 → 差分放大输入级 → 中间放大级 → 互补对称输出级。

1、集成运放的外形结构介绍

现在使用的运算放大器都是集成组件，应用最广泛的集成放大器是集成运算放大器（集成运放），最早用于模拟计算机，并由此而得名。随着技术指标的不断提高和价格的日益降低，作为一种通用的高性能放大器，目前已经广泛应用于自动控制、精密测量、通信、信号处理以及电源等电子技术应用的所有领域。

集成运放有金属圆壳式和陶瓷双列直插式等封装形式，如图5.1所示是集成运放F007和μA741的外形、管脚图。

图中：①、⑤、⑧——空脚

②——反相输入端

③——为同相输入端

⑥——为输出端

⑦——正电源端

④——负电源端

集成运放内部电路结构复杂，而对使用者来说，须掌握的是其主要性能及其连接和使用的方法，因而本章不再详细介绍其内部结构。在具体应用中，集成运放可视为一个高增益（80~140dB）、高输入电阻、低输出电阻的多级直接耦合放大器，为了抑制零点漂移, 抵制温漂变化对电路的影响，输入级采用了差分放大电路。差分放大电路，有两个输入端和一个输出端。图5.2所示是集成运放的电气符号及其管脚标准接法。

集成运算放大器内部通常包括四个组成基本部分，如图5.3方框图所示。

2、偏置电路

主要作用：向各放大级提供合适的静态工作点。

各放大级对偏置电流和工作电流要求不同，差分输入级的偏置电流最小（ μA 级），且要求稳定。为此，偏置电路常采用各种电流源电路。应用最广泛的电流源是镜像电流源，另外还有比例电流源、微电流源等。

1.镜像电流源

如图5.4是镜像电流源电路。

I R = U CC − U BE R ——基准电流

V T 1 、 V T 2 参数对称， I B1 = I B2 = I B ， I C1 = I C2 = I C

则 I C = I R −2 I B = I R −2 I C β

所以 I C2 = I C1 = I C = I R 1+ 2 β ≈ I R (β>>2)

2.微电流源

如图5.5是微电流源电路。

T 2 的发射极接入一个电阻 R e2 ， U BE2 < U BE1 ，使 I C2 << I C1 ≈ I R = V CC − U BE R 。

由于 IC=IS( e U BE U T −1)≈IS e U BE U T

所以 U BE1 − U BE2 = U T ln⁡( I C1 I C2 ⋅ I S2 I S1 )≈ U T ln⁡ I C1 I C2

由图5.4 U BE1 − U BE2 = I E2 R e2 ≈ I C2 R e2 则

R e2 = U T ln⁡ I C1 I C2 I C2

说明，若已知 I C1 （ mA 级）和 I C2 （ mA 级），可以求出 R e2 。

3、差分放大输入级

本级电路对于集成运放的质量和性能指标起决定作用，内部采用直接耦合方式。为了提高输入电阻，减少零点飘移，提高整个电路的共模抑制比，一般都是利用集成运放内部元件参数对称性，采用差分放大电路结构。它的主要作用是：抑制放大电路的零点漂移。

差分放大电路主要形式：基本形式、长尾式和恒流源式。这里主要介绍基本形式。

1.基本形式

如图5.6所示为基本形式差分放大电路。

工作原理：

电路中参数、电路结构完全对称，可以抑制温度变化对输出电压的影响，即抑制零点漂移。两管输入信号分别为 U i1 、U i2。

差模输入信号: U id = U i1 − U i2

共模输入信号: U ic = U i1 + U i2 2

U i1 = U ic + 1 2 U id = U ic + U id1

U i2 = U ic − 1 2 U id = U ic + U id2

可见，两个管子除了得到大小相等、极性相同的共模输入电压 U ic 外，还分别得到大小相等、极性相反的差模输入电压 ± 1 2 U id 。

①若 U i1 = U i2 ，两个管子只是输入共模信号，由于电路对称， U o = U oc = U c1 − U c2 =0 。

② U i1 ≠ U i2 ，可按上式进行信号分解，分别得到共模信号 U ic 和差模信号 U id 。

共模电压放大倍数: A uc = U oc U ic =0

差模电压放大倍数: A ud = U od U id

U c1 = A u1 U id1 = A u1 ⋅ 1 2 U id ， U c2 = A u2 U id2 = A u2 ⋅(− 1 2 U id ) ， U c1 =− U c2

因为电路完全对称, 所以

A u1 = A u2 = A u单

A ud = U od U id = U c1 − U c2 U id = 2 U c1 2 U id1 = A u单 =− β R c R s + r be

共模抑制比: K CMR =20lg⁡| A ud A uc | ，用来描述差分放大电路对零漂的抑制能力。

理想时， A uc =0 ， K CMR =∞ 。

2.恒流源式差分放大电路

如图5.7所示为.恒流源式差分放大电路

V T 3 为固定分压式偏置电路， I c3 基本不受温度变化的影响，很稳定，是恒流源，其特性如图5.8所示。 V T 2 、 V T 1 对称， I C1 = I C2 = 1 2 I C3 也稳定，不会因为温度变化而同时增加或减小，因而抑制了共模信号的变化和零漂。

当输入共模信号时， V T 3 的C、E之间的等效电阻 r CE3 = Δ u CE Δ i C ≈∞ （即恒流源的等效电阻），起共模负反馈作用，使 A uc 减小；当输入差模信号时， V T 2 、 V T 1 对称， Δ i c ≈0 ，两管的发射极之间 R W 中点（电位不变）为“交流地”， r CE3 不起任何作用，即不影响 A ud 。

恒流源式差分放大电路定量分析：

（1）静态分析

U R1 = R 1 R 1 + R 2 ⋅2 U CC

I CQ3 ≈ I EQ3 = U B3 − U BEQ3 R 3

I CQ1 = I CQ2 = 1 2 I CQ3

U CQ1 = U CQ2 = U CC − I CQ1 R C1 （对地）

I BQ1 = I BQ2 ≈ I CQ1 β

U BQ1 = U BQ2 =− I BQ1 R S （对地）

（2）动态分析

V T 3 构成的恒流源起共模负反馈作用和抑制零漂，因此 A uc =0 ；对差模输入信号没有任何影响。

R W ——调零电阻，差模输入时， R W 中点为“交流地”,对应的交流通路如图5.9所示。

A ud = U od U id = A ud单 = Δ U c1 Δ U id1 = −β R C R S + r be +(1+β) R W 2

r id =2[ R S + r be +(1+β) R W 2 ]

K CMR =20lg⁡| A ud A uc |=∞

4、共射放大中间级

中间级主要作用——电压放大。

要求电压放大倍数要高，一般采用有源负载的共射放大电路。为了提高放大倍数，并减小对输入级的影响，放大管往往采用复合管。

如图5.10是一个有源负载复合管共射放大电路。

V T 3 与 V T 4 ——镜像电流源，等效电阻值很大。

两个NPN型三极管 V T 1 与 V T 2 复合构成NPN：

β≈ β 1 ⋅ β 2 ， r be = r be1 +(1+β) r be2 ，

因此，本级的电压放大倍数很大。

5、互补对称输出级

为减少输出电阻，提高电路的带负载能力，集成运放输出级通常采用互补对称功放电路。此外，输出级还附有保护电路，以防意外短路或过载时造成损坏。