集成運(yùn)放的外形特點(diǎn)→ 基本組成電路框圖 → 偏置電路 → 差分放大輸入級(jí) → 中間放大級(jí) → 互補(bǔ)對(duì)稱輸出級(jí)。
1、集成運(yùn)放的外形結(jié)構(gòu)介紹
現(xiàn)在使用的運(yùn)算放大器都是集成組件，應(yīng)用最廣泛的集成放大器是集成運(yùn)算放大器（集成運(yùn)放），最早用于模擬計(jì)算機(jī)，并由此而得名。隨著技術(shù)指標(biāo)的不斷提高和價(jià)格的日益降低，作為一種通用的高性能放大器，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制、精密測(cè)量、通信、信號(hào)處理以及電源等電子技術(shù)應(yīng)用的所有領(lǐng)域。
集成運(yùn)放有金屬圓殼式和陶瓷雙列直插式等封裝形式，如圖5.1所示是集成運(yùn)放f007和μa741的外形、管腳圖。
圖中：①、⑤、⑧——空腳
②——反相輸入端
③——為同相輸入端
⑥——為輸出端
⑦——正電源端
④——負(fù)電源端
集成運(yùn)放內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而對(duì)使用者來說，須掌握的是其主要性能及其連接和使用的方法，因而本章不再詳細(xì)介紹其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在具體應(yīng)用中，集成運(yùn)放可視為一個(gè)高增益（80~140db）、高輸入電阻、低輸出電阻的多級(jí)直接耦合放大器，為了抑制零點(diǎn)漂移, 抵制溫漂變化對(duì)電路的影響，輸入級(jí)采用了差分放大電路。差分放大電路，有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端。圖5.2所示是集成運(yùn)放的電氣符號(hào)及其管腳標(biāo)準(zhǔn)接法。
集成運(yùn)算放大器內(nèi)部通常包括四個(gè)組成基本部分，如圖5.3方框圖所示。
2、偏置電路
主要作用：向各放大級(jí)提供合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。
各放大級(jí)對(duì)偏置電流和工作電流要求不同，差分輸入級(jí)的偏置電流最?。?μa 級(jí)），且要求穩(wěn)定。為此，偏置電路常采用各種電流源電路。應(yīng)用最廣泛的電流源是鏡像電流源，另外還有比例電流源、微電流源等。
1.鏡像電流源
如圖5.4是鏡像電流源電路。
i r = u cc − u be r ——基準(zhǔn)電流
v t 1 、 v t 2 參數(shù)對(duì)稱， i b1 = i b2 = i b ， i c1 = i c2 = i c
則 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.微電流源
如圖5.5是微電流源電路。
t 2 的發(fā)射極接入一個(gè)電阻 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
由圖5.4 u be1 − u be2 = i e2 r e2 ≈ i c2 r e2 則
r e2 = u t ln i c1 i c2 i c2
說明，若已知 i c1 （ ma 級(jí)）和 i c2 （ ma 級(jí)），可以求出 r e2 。
3、差分放大輸入級(jí)
本級(jí)電路對(duì)于集成運(yùn)放的質(zhì)量和性能指標(biāo)起決定作用，內(nèi)部采用直接耦合方式。為了提高輸入電阻，減少零點(diǎn)飄移，提高整個(gè)電路的共模抑制比，一般都是利用集成運(yùn)放內(nèi)部元件參數(shù)對(duì)稱性，采用差分放大電路結(jié)構(gòu)。它的主要作用是：抑制放大電路的零點(diǎn)漂移。
差分放大電路主要形式：基本形式、長(zhǎng)尾式和恒流源式。這里主要介紹基本形式。
1.基本形式
如圖5.6所示為基本形式差分放大電路。
工作原理：
電路中參數(shù)、電路結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱，可以抑制溫度變化對(duì)輸出電壓的影響，即抑制零點(diǎn)漂移。兩管輸入信號(hào)分別為 u i1 、u i2。
差模輸入信號(hào): u id = u i1 − u i2
共模輸入信號(hào): 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
可見，兩個(gè)管子除了得到大小相等、極性相同的共模輸入電壓 u ic 外，還分別得到大小相等、極性相反的差模輸入電壓 ± 1 2 u id 。
①若 u i1 = u i2 ，兩個(gè)管子只是輸入共模信號(hào)，由于電路對(duì)稱， u o = u oc = u c1 − u c2 =0 。
② u i1 ≠ u i2 ，可按上式進(jìn)行信號(hào)分解，分別得到共模信號(hào) u ic 和差模信號(hào) u id 。
共模電壓放大倍數(shù): a uc = u oc u ic =0
差模電壓放大倍數(shù): 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?yàn)殡娐吠耆珜?duì)稱, 所以
a u1 = a u2 = a u單
a ud = u od u id = u c1 − u c2 u id = 2 u c1 2 u id1 = a u單 =− β r c r s + r be
共模抑制比: k cmr =20lg| a ud a uc | ，用來描述差分放大電路對(duì)零漂的抑制能力。
理想時(shí)， a uc =0 ， k cmr =∞ 。
2.恒流源式差分放大電路
如圖5.7所示為.恒流源式差分放大電路
v t 3 為固定分壓式偏置電路， i c3 基本不受溫度變化的影響，很穩(wěn)定，是恒流源，其特性如圖5.8所示。 v t 2 、 v t 1 對(duì)稱， i c1 = i c2 = 1 2 i c3 也穩(wěn)定，不會(huì)因?yàn)闇囟茸兓瑫r(shí)增加或減小，因而抑制了共模信號(hào)的變化和零漂。
當(dāng)輸入共模信號(hào)時(shí)， v t 3 的c、e之間的等效電阻 r ce3 = δ u ce δ i c ≈∞ （即恒流源的等效電阻），起共模負(fù)反饋?zhàn)饔?，?a uc 減??；當(dāng)輸入差模信號(hào)時(shí)， v t 2 、 v t 1 對(duì)稱， δ i c ≈0 ，兩管的發(fā)射極之間 r w 中點(diǎn)（電位不變）為“交流地”， r ce3 不起任何作用，即不影響 a ud 。
恒流源式差分放大電路定量分析：
（1）靜態(tài)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 （對(duì)地）
i bq1 = i bq2 ≈ i cq1 β
u bq1 = u bq2 =− i bq1 r s （對(duì)地）
（2）動(dòng)態(tài)分析
v t 3 構(gòu)成的恒流源起共模負(fù)反饋?zhàn)饔煤鸵种屏闫?，因?a uc =0 ；對(duì)差模輸入信號(hào)沒有任何影響。
r w ——調(diào)零電阻，差模輸入時(shí)， r w 中點(diǎn)為“交流地”,對(duì)應(yīng)的交流通路如圖5.9所示。
a ud = u od u id = a ud單 = 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、共射放大中間級(jí)
中間級(jí)主要作用——電壓放大。
要求電壓放大倍數(shù)要高，一般采用有源負(fù)載的共射放大電路。為了提高放大倍數(shù)，并減小對(duì)輸入級(jí)的影響，放大管往往采用復(fù)合管。
如圖5.10是一個(gè)有源負(fù)載復(fù)合管共射放大電路。
v t 3 與 v t 4 ——鏡像電流源，等效電阻值很大。
兩個(gè)npn型三極管 v t 1 與 v t 2 復(fù)合構(gòu)成npn：
β≈ β 1 ⋅ β 2 ， r be = r be1 +(1+β) r be2 ，
因此，本級(jí)的電壓放大倍數(shù)很大。
5、互補(bǔ)對(duì)稱輸出級(jí)
為減少輸出電阻，提高電路的帶負(fù)載能力，集成運(yùn)放輸出級(jí)通常采用互補(bǔ)對(duì)稱功放電路。此外，輸出級(jí)還附有保護(hù)電路，以防意外短路或過載時(shí)造成損壞。