運算放大器電路圖的一般分析方法

集成運算放大電路的一般組成及其單元結(jié)構(gòu)，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

        運算放大器的偏置電路與分立放大電路的偏置電路設(shè)計有很大不同，主要由各種形式的恒流源電路實現(xiàn)，熟悉各種形式的恒流源電路是閱讀運放電路的基礎(chǔ)。

        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(fù)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(fù)載和復(fù)合管以增加電壓放大倍數(shù)。

        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(fù)載能力并增大輸出電壓和電流的動態(tài)范圍。二只輸出管輪流導(dǎo)通，每管工作在乙類狀態(tài)。為消除交越失真，通常會給輸出管提供適當(dāng)?shù)钠秒娏鳎屍涔ぷ髟诩滓翌悹顟B(tài)。

        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，輸出直流電平為零，有時還需要在級間加入電平移動電路。

        運算放大器的讀圖過程如下：

        （1） 運放電路結(jié)構(gòu)分解

        根據(jù)運放結(jié)構(gòu)特點，將運放分解成輸入級、中間級和輸出級、基準(zhǔn)電流源等四個基本部分。

        （2） 基準(zhǔn)電流分析

        運放電路中均有一個供偏置用的基準(zhǔn)電流源，由它產(chǎn)生基準(zhǔn)參考電流。

        （3） 靜態(tài)偏置分析

        在基準(zhǔn)電流基礎(chǔ)上，通過鏡像直流電流或微鏡像直流電流源，產(chǎn)生各種大小的直流恒流源或直流微恒流源，這些直流恒流源提供放大用晶體管的靜態(tài)偏置。

        將鏡像直流源電路用等效恒流源代替，可以得到等效直流通路，用于分析各級直流偏置。

        （4） 交流分析

        運算放大電路的主要功能是進行線性放大。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(biāo)計算。對輔助電路進行簡化，可以方便交流分析。

        得到簡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態(tài)指標(biāo)。

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

        （1） 運放電路的結(jié)構(gòu)分解

        輸入級是一個差動放大電路，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。

        （2） 基準(zhǔn)電流分析

        、、組成運放的基準(zhǔn)電流源，中得到的基準(zhǔn)電流為

 （3） 靜態(tài)偏置分析

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

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

        （4） 交流分析

        差分輸入級中的、、管構(gòu)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。、同時分別作為、的有源負(fù)載。

        電容C的作用是進行相位補償，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(dāng)輸出電流過大時，或?qū)ǎㄟ^、組成的鏡像電流源，將該電流鏡像至的另一個基極，通過負(fù)反饋抑制輸出電流的增大。

        將輔助電路簡化后的等效交流通路如圖4所示。

圖4

        其中，是恒流源的內(nèi)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

        （1） 運放電路的結(jié)構(gòu)分解

        輸入級是差動放大電路，主要由增強型MOS管、組成。輸出級是一個簡單的共源電路，由實現(xiàn)。

        （2） 基準(zhǔn)電流分析

        和外接電阻R產(chǎn)生運放的基準(zhǔn)電流。

        （3） 靜態(tài)偏置分析

        與構(gòu)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(fù)載。

        與構(gòu)成鏡像電流源，且給漏極提供直流偏置，同時作為的恒流源負(fù)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

        （4） 交流分析

        差分輸入級中的、管構(gòu)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。

        將輔助電路簡化后的等效交流通路如圖7所示。

圖7

        其中，是恒流源的內(nèi)阻。