典型的运算放大器TINA和TINACloud资源

典型运算放大器

大多数运算放大器的设计和构造均符合图8所示的框图。

图8 - 运算放大器的典型配置

差分放大器和电压增益级是提供电压增益的唯一级。差分放大器还提供CMRR，这在运算放大器中非常重要。差分放大器的输出通常连接到具有大发射极电阻器的射极跟随器，以便为差分放大器提供高阻抗负载，以便获得高增益。请记住，高增益共射极放大器的输入阻抗比中等增益CE放大器低得多。然后，这允许使用高增益CE放大器来提供额外的增益。线性运算放大器直接耦合提供 ac 获得。这也消除了对太大而不能放置在IC芯片上的耦合电容器的需要。电平移位器需要确保输出信号没有 dc 抵消。运算放大器可以通过电路仿真非常精确地建模。我们将使用TINACloud在线电路仿真来演示这一点。

3.1包装

运算放大器电路采用标准IC封装，包括罐，双列直插式封装（DIP）和扁平封装。这些封装中的每一个都具有至少八个引脚或连接。它们在图9，10和11中说明。

图9 - 罐装的运放连接（俯视图）

图10 –运算放大器连接14针DIP（俯视图）

图11 - 10引脚扁平封装的运放连接（顶视图）

在构建电路时，正确识别各种引线非常重要（它们通常没有编号）。图中显示了引脚1的位置。在里面 可以打包 在图9中，引脚1被识别为标签左侧的第一个引脚，引脚从顶部逆时针方向连续编号。在里面 双列直插式封装 如图10所示，封装顶部有一个凹槽，用于定位引脚1，引脚在左侧向上编号，在右侧向上编号。请注意，在一个DIP中封装了多个运算放大器（通常为2或4）。

在 扁平包装 在图11中，引脚1由点标识，引脚按DIP编号。

3.2电源要求

许多运算放大器都需要负电压源和正电压源。典型电压源的范围为±5 V至±25 V.图12显示了与运算放大器的典型电源连接。

最大输出电压摆幅受到限制 dc 提供给运算放大器的电压。某些运算放大器可以通过单个电压源进行操作。制造商的规格定义了运算放大器仅使用一个电源的情况下的操作限制。

图12 - 电源连接

3.3 741运算放大器

μA741运算放大器在图13的等效电路中说明。它是大多数IC制造商自1966开始生产的，虽然自推出以来已有很多进步，但741仍然被广泛使用。

图13 - 741运算放大器

741运算放大器有 内部补偿 这是指导致高频幅度响应下降的RC网络。因为放大器具有高增益（大约为10）⁴ 到10⁵ 在低频下）并且因为晶体管中的寄生电容允许 寄生反馈如果不是内部补偿，运算放大器会变得不稳定并振荡。两个级联差动放大器通过另一个电压放大器驱动互补对称功率放大器。

741运算放大器由三个阶段组成：输入差分放大器，中间单端高增益放大器和输出缓冲放大器。其它对其操作很重要的电路是一个电平转换器来移动它 dc 信号电平使输出可以正向和负向摆动，偏置电路为各种放大器提供参考电流，以及保护运算放大器免受输出短路的电路。 741通过片内电容 - 电阻网络进行内部补偿。

通过增加更多级放大，隔离输入电路以及在输出端添加更多射极跟随器来降低输出阻抗，可进一步改善运算放大器。其他改进导致CMRR增加，输入阻抗更高，频率响应更宽，输出阻抗降低，功率增加。

偏置电路

在图741的13运算放大器中可以看到几个常数源。晶体管 Q₈ 和 Q₉ 是目前的来源 I_EE 由差分放大器形成的 Q₁, Q₂, Q₃及 Q₄。晶体管 Q₅, Q₆及 Q₇，是有效负荷替代 R_C 差分放大器的电阻器。晶体管 Q₁₀, Q₁₁及 Q₁₂ 形成用于差分放大器电流源的偏置网络。晶体管 Q₁₀ 和 Q₁₁ 形成该偏置网络的Widlar电流源，其他晶体管充当电流镜。

短路保护

741电路包括许多晶体管，这些晶体管通常被切断并仅在输出端存在大电流的情况下导通。然后改变输出晶体管上的偏压以将该电流减小到可接受的水平。在图13的电路中，该短路保护网络由晶体管Q组成₁₅ 和 Q₂₂ 和电阻器 R_11.

输入阶段

741运算放大器的输入级需要提供电压增益，电平转换和单端差分放大器输出。电路的复杂性导致大的偏移电压误差。与此相反，标准电阻负载差分放大器产生较小的失调电压误差。然而，标准放大器的增益有限，这意味着需要更多的级来实现所需的放大。负载电阻的差分放大器用于运算放大器，其电压漂移小于741。

输入级中使用的BJT需要较大的偏置电流，从而引入偏移电流问题。为降低失调电流误差，其他运算放大器类型在输入级使用MOSFET。

741的输入级是差分放大器，具有由晶体管形成的有源负载 Q₅, Q₆及 Q₇ 和电阻器 R₁, R₂及 R₃。该电路提供高电阻负载，并将信号从差分转换为单端，不会降低增益或共模抑制比。单端输出取自收集器 Q₆。输入级电平移位器由横向组成 PNP 晶体管， Q₃ 和 Q₄，它们以公共基础配置连接。

使用横向晶体管， Q₃ 和 Q₄，带来额外的好处。它们有助于保护输入晶体管， Q₁ 和 Q₂，防止发射极 - 基极结击穿。一个发射极 - 基极结 NPN 当反向偏压超过约7 V时，晶体管将发生击穿。直到反向偏压超过约50 V才会发生横向晶体管击穿。由于晶体管串联 Q₁ 和 Q₂，输入电路的击穿电压增加。

中级阶段

大多数运算放大器的中间级通过几个放大器提供高增益。在741中，第一级的单端输出连接到基数 Q₁₆ 这是一个射极跟随器配置。这为输入级提供了高输入阻抗，从而最大限度地减少了负载。中间阶段也包括晶体管 Q₁₆ 和 Q₁₇和电阻器 R₈ 和 R₉。中间阶段的输出取自收集器 Q₁₇，并提供给 Q₁₄ 通过分相器。 741中的电容用于频率补偿，本文后续章节将对此进行讨论。

输出阶段

要求运算放大器的输出级为低输出阻抗提供高电流增益。大多数运算放大器使用互补的对称输出级来提高效率，而不会牺牲电流增益。互补对称B类放大器的最大可实现效率为78％。单端输出放大器的最大效率仅为25％。一些运算放大器使用达林顿对互补对称性来增加其输出能力。 741中的互补对称输出级包括 Q₁₄ 和 Q₂₀.

小电阻， R₆ 和 R₇，在输出端提供电流限制。达林顿对， Q₁₈ 和 Q₁₉，如第8章所述，用于代替二极管补偿互补对称输出级中的二极管。达林顿对布置比作为二极管连接的两个晶体管更受青睐，因为它可以在更小的区域内制造。在互补对称电路中代替偏置电阻的电流源由晶体管的一部分实现 Q₁₃。晶体管 Q₂₂, Q₂₃及 Q₂₄ 是电平移位器装置的一部分，它确保输出电压以零轴为中心。

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