運算放大器電子電路設計攻略TOP6

　　運算放大器的偏置電路與分立放大電路的偏置電路設計有很大不同，主要由各種形式的恒流源電路實(shí)現，熟悉各種形式的恒流源電路是閱讀運放電路的基礎。運算放大器的輸入級通常是差分放大電路，其主要功能是抑制共模干擾和溫漂，雙極型運放中差分管通常采用CC-CB復合管，以便拓展通頻帶；運算放大器的中間級采用共射或共源電路，并采用恒流源負載和復合管以增加電壓放大倍數。雙極型運算放大器的輸出級采用互補輸出形式，其主要功能是提高負載能力并增大輸出電壓和電流的動(dòng)態(tài)范圍。二只輸出管輪流導通，每管工作在乙類(lèi)狀態(tài)。為消除交越失真，通常會(huì )給輸出管提供適當的偏置電流，讓其工作在甲乙類(lèi)狀態(tài)。

　　集成運算放大電路的一般組成及其單元結構，如恒流源電路、差分放大電路、CC-CE、CC-CB電路和互補輸出電路等。運算放大器主要由輸入級、中間放大級、輸出級和偏置電路等四部分組成，如圖1所示。

　　圖1

　　由于集成電路工藝的限制，各級之間采用直接耦合。為保證輸入短路時(shí)，輸出直流電平為零，有時(shí)還需要在級間加入電平移動(dòng)電路。運算放大電路的主要功能是進(jìn)行線(xiàn)性放大。此外還有一些附加功能電路，如交流鏡像電流源電路，輸出保護電路，交越失真補償電路，電平移動(dòng)電路等， 這些電路為保證放大功能提供輔助作用，通常并不影響放大電路指標計算。對輔助電路進(jìn)行簡(jiǎn)化，可以方便交流分析。得到簡(jiǎn)化的交流等效電路后，將晶體管用小信號模型替代，就可以計算放大電路的動(dòng)態(tài)指標。

　　圖2是uA741運算放大電路的等效電路圖，試分析其基本工作原理。

　　圖2

　　運放電路的結構分解

　　輸入級是一個(gè)差動(dòng)放大電路，主要由、（共集-共基組合）和、組成。中間放大級由、、組成共集—共射電路；輸出級由、組成互補輸出電路。

　　靜態(tài)偏置分析

　　與構成微鏡像電流源，一方面給、的基極提供偏置，另一方面由、構成的鏡像電流源給、、、的集電極提供恒流偏置，同時(shí)作為、的恒流負載。

　　是多集電極管，它與構成鏡像電流源。一方面給提供偏置電流，同時(shí)作為的有源負載。則是給提供偏置電流，同時(shí)作為的有源負載。

　　將電路中的鏡像直流電流源用等效恒流源代替，得到等效直流通路如圖3所示。

　　圖3

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　　交流分析

　　差分輸入級中的、、管構成高精度交流鏡像電流源，，因而提供給的電流為，使單端輸出的差分電路達到雙端輸出的效果。、同時(shí)分別作為、的有源負載。電容C的作用是進(jìn)行相位補償，用于防止該運放可能產(chǎn)生的自激振蕩。輸出級中的，，給互補輸出管，提供靜態(tài)偏置，以消除交越越失真。、是輸出限流保護用取樣電阻，當輸出電流過(guò)大時(shí)，或導通，通過(guò)、組成的鏡像電流源，將該電流鏡像至的另一個(gè)基極，通過(guò)負反饋抑制輸出電流的增大。

　　將輔助電路簡(jiǎn)化后的等效交流通路如圖4所示。

　　圖4

　　其中，是恒流源的內阻。

　　例2，圖5是CMOS運放C14573的等效電路圖，試分析其基本工作原理。

　　圖5

　　運放電路的結構分解

　　輸入級是差動(dòng)放大電路，主要由增強型MOS管、組成。輸出級是一個(gè)簡(jiǎn)單的共源電路，由實(shí)現。

　　基準電流分析

　　和外接電阻R產(chǎn)生運放的基準電流。

　　靜態(tài)偏置分析

　　與構成鏡像電流源，且作為、源極上的恒流源，并為它們提供直流偏置，、是、的恒流源負載。

　　與構成鏡像電流源，且給漏極提供直流偏置，同時(shí)作為的恒流源負載。將鏡像直流電流源用等效恒流源代替，得到等效直流通路如圖6所示。

　　圖6

　　交流分析

　　差分輸入級中的、管構成交流鏡像電流源，，因而提供給的電流為，使單端輸出的差分電路達到雙端輸出的效果。電容C的作用是相位補償，用于防止自激振蕩。將輔助電路簡(jiǎn)化后的等效交流通路如圖7所示。

　　圖7

　　其中，是恒流源的內阻。