成就電子電路設計高手(六)，運算放大器電子電路設計

時間：2020-03-25 15:57:14

關鍵字：指數電子電路設計運算放大器

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[導讀]對于電子電路設計，電子領域的朋友均有所了解。往期文章中，小編介紹過諸多電子電路設計理論，并帶來了電子電路設計相關實例。本文對電子電路設計的講解，主要在于介紹運算放大器的電子電路設計。如果你對本文即將討論的內容存在一定興趣，請繼續(xù)往下閱讀哦。

對于電子電路設計，電子領域的朋友均有所了解。往期文章中，小編介紹過諸多電子電路設計理論，并帶來了電子電路設計相關實例。本文對電子電路設計的講解，主要在于介紹運算放大器的電子電路設計。如果你對本文即將討論的內容存在一定興趣，請繼續(xù)往下閱讀哦。

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態(tài)范圍。二只輸出管輪流導通，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的偏置電流，讓其工作在甲乙類狀態(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，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。

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

輸入級是一個差動放大電路，主要由T1、T3(共集-共基組合)和T2、T4組成。中間放大級由T16、T17、T23組成共集—共射電路;輸出級由T14、T20組成互補輸出電路。

靜態(tài)偏置分析

T10與T11構成微鏡像電流源，一方面給T3、T4的基極提供偏置，另一方面由T8、R10構成的鏡像電流源給T1、T2、T3、T4的集電極提供恒流偏置，同時作為T1、T2的恒流負載。

T13是多集電極管，它與T12構成鏡像電流源。T13A一方面給T17提供偏置電流，同時作為T17的有源負載。T13B則是給T23提供偏置電流，同時作為T23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

交流分析

差分輸入級中的T5、T6、T7管構成高精度交流鏡像電流源，ic3=ic6，因而提供給T16的電流為Δi16B=Δic4-Δic6=Δic4-Δic3=2Δic4，使單端輸出的差分電路達到雙端輸出的效果。T5、T7同時分別作為T3、T4的有源負載。電容C的作用是進行相位補償，用于防止該運放可能產生的自激振蕩。輸出級中的T18，T19，R8給互補輸出管T14，T20提供靜態(tài)偏置，以消除交越越失真。R10、R11是輸出限流保護用取樣電阻，當輸出電流過大時，T15或T20導通，通過T22、T24組成的鏡像電流源，將該電流鏡像至T23的另一個基極，通過負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，r02,r03是恒流源I2,I3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

輸入級是差動放大電路，主要由增強型MOS管T1、T2組成。輸出級是一個簡單的共源電路，由T8實現。

基準電流分析

T5和外接電阻R產生運放的基準電流IREF。

靜態(tài)偏置分析

T6與T5構成鏡像電流源，且T6作為T1、T2源極上的恒流源，并為它們提供直流偏置，T3、T4是T1、T2的恒流源負載。

T7與T5構成鏡像電流源，且T7給T8漏極提供直流偏置，同時作為T8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。