典型的運算放大器TINA和TINACloud資源

典型運算放大器

大多數運算放大器的設計和構造均符合圖8所示的框圖。

圖8 - 運算放大器的典型配置

差分放大器和電壓增益級是提供電壓增益的唯一級。差分放大器還提供CMRR，這在運算放大器中非常重要。差分放大器的輸出通常連接到具有大發射極電阻器的射極跟隨器，以便為差分放大器提供高阻抗負載，以便獲得高增益。請記住，高增益共射極放大器的輸入阻抗比中等增益CE放大器低得多。然後，這允許使用高增益CE放大器來提供額外的增益。線性運算放大器直接耦合提供 ac 獲得。這也消除了對太大而不能放置在IC芯片上的耦合電容器的需要。電平移位器需要確保輸出信號沒有 dc 抵消。運算放大器可以通過電路仿真非常精確地建模。我們將使用TINACloud在線電路仿真來演示這一點。

3.1包裝

運算放大器電路採用標準IC封裝，包括罐，雙列直插式封裝（DIP）和扁平封裝。這些封裝中的每一個都具有至少八個引腳或連接。它們在圖9，10和11中說明。

圖9 - 罐裝的運放連接（俯視圖）

圖10 –運算放大器連接14針DIP（俯視圖）

圖11 - 10引腳扁平封裝的運放連接（頂視圖）

在構建電路時，正確識別各種引線非常重要（它們通常沒有編號）。圖中顯示了引腳1的位置。在裡面 可以打包 在圖9中，引腳1被識別為標籤左側的第一個引腳，引腳從頂部逆時針方向連續編號。在裡面 雙列直插式封裝 如圖10所示，封裝頂部有一個凹槽，用於定位引腳1，引腳在左側向上編號，在右側向上編號。請注意，在一個DIP中封裝了多個運算放大器（通常為2或4）。

在 扁平包裝 在圖11中，引腳1由點標識，引腳按DIP編號。

3.2電源要求

許多運算放大器都需要負電壓源和正電壓源。典型電壓源的範圍為±5 V至±25 V.圖12顯示了與運算放大器的典型電源連接。

最大輸出電壓擺幅受到限制 dc 提供給運算放大器的電壓。某些運算放大器可以通過單個電壓源進行操作。製造商的規格定義了運算放大器僅使用一個電源的情況下的操作限制。

圖12 - 電源連接

3.3 741運算放大器

μA741運算放大器在圖13的等效電路中說明。它是大多數IC製造商自1966開始生產的，雖然自推出以來已有很多進步，但741仍然被廣泛使用。

圖13 - 741運算放大器

741運算放大器有 內部補償 這是指導致高頻幅度響應下降的RC網絡。因為放大器具有高增益（大約為10）⁴ 到10⁵ 在低頻下）並且因為晶體管中的寄生電容允許 寄生反饋如果不是內部補償，運算放大器會變得不穩定並振盪。兩個級聯差動放大器通過另一個電壓放大器驅動互補對稱功率放大器。

741運算放大器由三個階段組成：輸入差分放大器，中間單端高增益放大器和輸出緩衝放大器。其它對其操作很重要的電路是一個電平轉換器來移動它 dc 信號電平使輸出可以正向和負向擺動，偏置電路為各種放大器提供參考電流，以及保護運算放大器免受輸出短路的電路。 741通過片內電容 - 電阻網絡進行內部補償。

通過增加更多級放大，隔離輸入電路以及在輸出端添加更多射極跟隨器來降低輸出阻抗，可進一步改善運算放大器。其他改進導致CMRR增加，輸入阻抗更高，頻率響應更寬，輸出阻抗降低，功率增加。

偏置電路

在圖741的13運算放大器中可以看到幾個常數源。晶體管 Q₈ 和 Q₉ 是目前的來源 I_EE 由差分放大器形成的 Q₁, Q₂, Q₃和 Q₄。晶體管 Q₅, Q₆和 Q₇，是有效負荷替代 R_C 差分放大器的電阻器。晶體管 Q₁₀, Q₁₁和 Q₁₂ 形成用於差分放大器電流源的偏置網絡。晶體管 Q₁₀ 和 Q₁₁ 形成該偏置網絡的Widlar電流源，其他晶體管充當電流鏡。

短路保護

741電路包括許多晶體管，這些晶體管通常被切斷並僅在輸出端存在大電流的情況下導通。然後改變輸出晶體管上的偏壓以將該電流減小到可接受的水平。在圖13的電路中，該短路保護網絡由晶體管Q組成₁₅ 和 Q₂₂ 和電阻器 R_11.

輸入階段

741運算放大器的輸入級需要提供電壓增益，電平轉換和單端差分放大器輸出。電路的複雜性導致大的偏移電壓誤差。與此相反，標準電阻負載差分放大器產生較小的失調電壓誤差。然而，標準放大器的增益有限，這意味著需要更多的級來實現所需的放大。負載電阻的差分放大器用於運算放大器，其電壓漂移小於741。

輸入級中使用的BJT需要較大的偏置電流，從而引入偏移電流問題。為降低失調電流誤差，其他運算放大器類型在輸入級使用MOSFET。

741的輸入級是差分放大器，具有由晶體管形成的有源負載 Q₅, Q₆和 Q₇ 和電阻器 R₁, R₂和 R₃。該電路提供高電阻負載，並將信號從差分轉換為單端，不會降低增益或共模抑制比。單端輸出取自收集器 Q₆。輸入級電平移位器由橫向組成 PNP 晶體管， Q₃ 和 Q₄，它們以公共基礎配置連接。

使用橫向晶體管， Q₃ 和 Q₄，帶來額外的好處。它們有助於保護輸入晶體管， Q₁ 和 Q₂，防止發射極 - 基極結擊穿。一個發射極 - 基極結 NPN 當反向偏壓超過約7 V時，晶體管將發生擊穿。直到反向偏壓超過約50 V才會發生橫向晶體管擊穿。由於晶體管串聯 Q₁ 和 Q₂，輸入電路的擊穿電壓增加。

中級階段

大多數運算放大器的中間級通過幾個放大器提供高增益。在741中，第一級的單端輸出連接到基數 Q₁₆ 這是一個射極跟隨器配置。這為輸入級提供了高輸入阻抗，從而最大限度地減少了負載。中間階段也包括晶體管 Q₁₆ 和 Q₁₇和電阻器 R₈ 和 R₉。中間階段的輸出取自收集器 Q₁₇，並提供給 Q₁₄ 通過分相器。 741中的電容用於頻率補償，本文後續章節將對此進行討論。

輸出階段

要求運算放大器的輸出級為低輸出阻抗提供高電流增益。大多數運算放大器使用互補的對稱輸出級來提高效率，而不會犧牲電流增益。互補對稱B類放大器的最大可實現效率為78％。單端輸出放大器的最大效率僅為25％。一些運算放大器使用達林頓對互補對稱性來增加其輸出能力。 741中的互補對稱輸出級包括 Q₁₄ 和 Q₂₀.

小電阻， R₆ 和 R₇，在輸出端提供電流限制。達林頓對， Q₁₈ 和 Q₁₉，如第8章所述，用於代替二極管補償互補對稱輸出級中的二極管。達林頓對佈置比作為二極管連接的兩個晶體管更受青睞，因為它可以在更小的區域內製造。在互補對稱電路中代替偏置電阻的電流源由晶體管的一部分實現 Q₁₃。晶體管 Q₂₂, Q₂₃和 Q₂₄ 是電平移位器裝置的一部分，它確保輸出電壓以零軸為中心。

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