成就电子电路设计高手(六)，运算放大器电子电路设计

对于电子电路设计，电子领域的朋友均有所了解。往期文章中，小编介绍过诸多电子电路设计理论，并带来了电子电路设计相关实例。本文对电子电路设计的讲解，主要在于介绍运算放大器的电子电路设计。如果你对本文即将讨论的内容存在一定兴趣，请继续往下阅读哦。

运算放大器的偏置电路与分立放大电路的偏置电路设计有很大不同，主要由各种形式的恒流源电路实现，熟悉各种形式的恒流源电路是阅读运放电路的基础。运算放大器的输入级通常是差分放大电路，其主要功能是抑制共模干扰和温漂，双极型运放中差分管通常采用CC-CB复合管，以便拓展通频带;运算放大器的中间级采用共射或共源电路，并采用恒流源负载和复合管以增加电压放大倍数。双极型运算放大器的输出级采用互补输出形式，其主要功能是提高负载能力并增大输出电压和电流的动态范围。二只输出管轮流导通，每管工作在乙类状态。为消除交越失真，通常会给输出管提供适当的偏置电流，让其工作在甲乙类状态。

集成运算放大电路的一般组成及其单元结构，如恒流源电路、差分放大电路、CC-CE、CC-CB电路和互补输出电路等。运算放大器主要由输入级、中间放大级、输出级和偏置电路等四部分组成，如图1所示。

图1

由于集成电路工艺的限制，各级之间采用直接耦合。为保证输入短路时，输出直流电平为零，有时还需要在级间加入电平移动电路。运算放大电路的主要功能是进行线性放大。此外还有一些附加功能电路，如交流镜像电流源电路，输出保护电路，交越失真补偿电路，电平移动电路等，这些电路为保证放大功能提供辅助作用，通常并不影响放大电路指标计算。对辅助电路进行简化，可以方便交流分析。得到简化的交流等效电路后，将晶体管用小信号模型替代，就可以计算放大电路的动态指标。

图2是uA741运算放大电路的等效电路图，试分析其基本工作原理。

图2

运放电路的结构分解

输入级是一个差动放大电路，主要由T1、T3(共集-共基组合)和T2、T4组成。中间放大级由T16、T17、T23组成共集—共射电路;输出级由T14、T20组成互补输出电路。

静态偏置分析

T10与T11构成微镜像电流源，一方面给T3、T4的基极提供偏置，另一方面由T8、R10构成的镜像电流源给T1、T2、T3、T4的集电极提供恒流偏置，同时作为T1、T2的恒流负载。

T13是多集电极管，它与T12构成镜像电流源。T13A一方面给T17提供偏置电流，同时作为T17的有源负载。T13B则是给T23提供偏置电流，同时作为T23的有源负载。

将电路中的镜像直流电流源用等效恒流源代替，得到等效直流通路如图3所示。

图3

交流分析

差分输入级中的T5、T6、T7管构成高精度交流镜像电流源，ic3=ic6，因而提供给T16的电流为Δi16B=Δic4-Δic6=Δic4-Δic3=2Δic4，使单端输出的差分电路达到双端输出的效果。T5、T7同时分别作为T3、T4的有源负载。电容C的作用是进行相位补偿，用于防止该运放可能产生的自激振荡。输出级中的T18，T19，R8给互补输出管T14，T20提供静态偏置，以消除交越越失真。R10、R11是输出限流保护用取样电阻，当输出电流过大时，T15或T20导通，通过T22、T24组成的镜像电流源，将该电流镜像至T23的另一个基极，通过负反馈抑制输出电流的增大。

将辅助电路简化后的等效交流通路如图4所示。

图4

其中，r02,r03是恒流源I2,I3的内阻。

例2，图5是CMOS运放C14573的等效电路图，试分析其基本工作原理。

图5

运放电路的结构分解

输入级是差动放大电路，主要由增强型MOS管T1、T2组成。输出级是一个简单的共源电路，由T8实现。

基准电流分析

T5和外接电阻R产生运放的基准电流IREF。

静态偏置分析

T6与T5构成镜像电流源，且T6作为T1、T2源极上的恒流源，并为它们提供直流偏置，T3、T4是T1、T2的恒流源负载。

T7与T5构成镜像电流源，且T7给T8漏极提供直流偏置，同时作为T8的恒流源负载。将镜像直流电流源用等效恒流源代替，得到等效直流通路如图6所示。

图6

交流分析

差分输入级中的T3,T4管构成交流镜像电流源，iD1=iD4，因而提供给T8的电流为Δi=ΔiD2-ΔiD4=ΔiD2-ΔiD3=2ΔiD2使单端输出的差分电路达到双端输出的效果。电容C的作用是相位补偿，用于防止自激振荡。将辅助电路简化后的等效交流通路如图7所示。

图7

其中，r1,r2是恒流源I1,I2的内阻。

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