一文詳解集成運放MC4558的內(nèi)部電路

從本質(zhì)上講，集成運放是一種高性能直接耦合放大電路，雖然內(nèi)部結(jié)構(gòu)各不相同，但是它們的基本組成部分、結(jié)構(gòu)形式、組成原則基本一致，幾無例外的是輸入級均采用差動放大器。

MC4558是應用最為廣泛的通用型8腳集成運放，常見封裝形式為SOP8（貼片）和雙列直插（DIP8）兩種，如圖1所示。

圖1 MC4558兩種常見封裝類型

其內(nèi)部包含兩個相對獨立單元電路，功能完全相同，如圖2所示。

圖2 MC4558內(nèi)部功能框圖

在設計MC4558的相關(guān)電路時，由于涉及到與其它阻容等元件的連接，因此，為了便于原理分析，往往它的功能單元與其他阻容元件畫在一起，根據(jù)實際應用情況，可以單獨使用其中任何一個單元，或兩個單元同時使用。于是，電路設計軟件中就安排它為兩個獨立單元，如圖3所示。

圖3 MC4558內(nèi)部兩個相同的單元電路

兩個單元電路分別稱為A單元和B單元，它們共用供電腳。內(nèi)部任一個運放單元的詳細電路如圖4所示。8腳接正電源Ucc，4腳接負電源-UEE或地，它們在IC在內(nèi)部共用。

圖4 MC4558內(nèi)部一個單元電路原理圖

雖然MC4558內(nèi)部電路比較復雜，但是按各部分電路的作用與功能可劃分為4個模塊，如圖5所示。它們分別是是差分輸入級、電壓放大級、偏置電路和輸出級。

圖5 MC4558一個單元電路的功能框圖

1）差分輸入級

一般是由晶體管（BJT）或結(jié)型場效應管（JFET）組成的差動放大電路，利用它的對稱特性提高整個電路的共模抑制比和其他方面的性能。它的兩個輸入端分別標示“+”、“-”符號，其中帶“+”號為同相輸入端，帶“-”號為反相輸入端。

2）電壓放大級

電壓放大級的主要作用是提高電壓增益，它可由一級或多級放大電路組成，集成運放的電壓放大，主要是由這一級電路來實現(xiàn)。

3）輸出級

輸出級一般電壓跟隨器或互補電壓跟隨器構(gòu)成，以降低輸出電阻，提高帶負載能力。

4）偏置電路

偏置電路為各級提供合適的工作電流。此外還有一些輔助環(huán)節(jié)，如電平移動電路，過載保護電路以及高頻補償電路等。下面對各部分具體電路逐一介紹。

1．啟動電路

啟動電路由N溝道結(jié)型場效應管VT15和穩(wěn)壓二極管Z1組成。靜態(tài)時，場效應管柵極電位為UEE（單電源供電時為0，雙電源供電時為負電壓）。若電源電壓足夠高，穩(wěn)壓管ZD1被擊穿，VT15依靠穩(wěn)壓管ZD1建立一個負的偏置電壓，VT15導通給VT14的基極提供偏置電壓，VT14的b-e結(jié)與ZD1和R9構(gòu)成恒流源，為輸入級和激勵級電路提供偏置電流。若電壓太低，ZD1不能被擊穿，恒流源不能正常工作，整個電路也不工作。恒流源的偏置電流為Ic14

2．鏡像恒流源和微變恒流源

晶體管VT7與VT13的基極、發(fā)射極分別并聯(lián)，因此二者構(gòu)成鏡像恒流源，它們再與VT5構(gòu)成微變恒流源，所以VT5的集電極電流很小，一般是微安級。

3．差分輸入級

差分輸入級是雙端輸入、單端輸出，由VT1、VT2（制造工藝保證它們特性相同）和位于上側(cè)的微變電流源和位于下側(cè)的比例電流源一起構(gòu)成；其中，微變恒流源如差動放大器長長的尾巴，工程上常稱之為微變恒流源長尾式差分放大器。

4．比例恒流源

在共射放大器中，增大集電極電阻Rc能提高電壓放大倍數(shù)。然而，為了維持晶體管的靜態(tài)電流不變，在增大Rc的同時必須提高電源電壓，但這在實際工程設計并不能隨心所欲。在集成運放中，常用恒流源取代Rc，這樣在電源電壓不變的情況下，既可獲得合適的靜態(tài)電流，對于交流信號，又可得到很大的等效Rc。換句話說，恒流源具有較低的直流等效阻抗，同時又具有很大的交流阻抗，對抑制差分輸入級的共模信號大有裨益。

由于晶體管是有源元件，由恒流源取代Rc作為負載稱為有源負載（接在對差動對管的集電極，這是作為有源負載的重要特征），可以使單端輸出的差動放大器差模放大倍數(shù)提高到接近雙端輸出時的情況。

比例恒流源由VT3、VT4（制造工藝保證它們特性相同）和R2、R3組成，為保證輸入級的對稱性，一般來要求R2=R3，此時Ic3≈Ic1，Ic4≈Ic2，則VT6的基極電流約等于0。

5．中間電壓放大級

差動放大器的輸出信號由VT2集電極引出，送到電壓放大級的緩沖級VT6，VT6是射極跟隨器，輸入阻抗高、輸出阻抗低，能增強對電壓放大管的電流驅(qū)動能力，極大地提高了開環(huán)增益。靜態(tài)時，VT2集電極電位是VT6與VT10的b-e結(jié)壓降之和。R4為VT6設置靜態(tài)電流，Ic6≈0.6V/R4。

6．輸出電路

VT8和VT9組成2倍倍增電路，抵消輸出管VT11和VT12發(fā)射結(jié)死區(qū)壓降。由于R5與VT9發(fā)射結(jié)并聯(lián)，故IR5=Ube9/R5，該電流約等于VT8的發(fā)射極電流。合理設置R5的阻值，就可以使VT8、VT9均處于放大狀態(tài)。因VT8的b、c極并聯(lián)，故晶體管當二極管使用，因此VT9的c-e極間電壓Uce9相當于兩只串聯(lián)二極管的壓降，完全可以抵消管VT11、VT12為發(fā)射結(jié)死區(qū)電壓，消除交越失真。另外，它們都位于一塊微小的半導體晶片上，傳熱效果良好，因此還具有溫度補償作用。

晶體管VT11、VT12為互補輸出管，發(fā)射極串聯(lián)的電阻R6、R7以及串接在輸出通路中電阻用于保護集成電路在意外情況下免遭損壞，R6～R8的取值范圍約為幾十至一百幾十歐姆。正因為這3只電阻的存在，限制了輸出電流不可能大，因此這種集成運放多用于電壓放大器或比較器等小電流的場合。

電容C2為密勒電容，跨接于互為反相的信號兩端，用于高頻補償。在我的《音頻功率放大器設計》一書中，對于該電容作用與特性，有更詳細地介紹。

與MC4558功能相似的集成電路還有MC5532、TL082等。另外，還有4運放的器件，比如TL084、LM324等，它們是4個單元封裝在一個芯片中。

與MC4558類似的另一個常見集成運放是LM358，其一個單元的內(nèi)部原理如圖6所示。

圖6 LM358內(nèi)部電路原理圖

差動輸入采用復合管Q1與Q2等效我PNP管，Q3與Q4等效為NPN管，采用復合管輸入的好處是增大電路的輸入阻抗，減小運放的輸出電流，這樣設計，使得它的輸入端與外電路“幾乎沒有電流”聯(lián)系，即輸入端“續(xù)斷”。

在該電路的下方，晶體管Q8與Q9組成鏡像電流源，作為差動級的集電極有源負載，這種電路有利于差模信號的放大，同時又能較好的抑制共模噪聲。

Q10與Q11組成兩級電壓跟隨器，它們的功能與圖4中VT6是一樣的。

Q12是激勵管，它負責整個IC的電壓放大。

輸出級上臂由Q5、Q6組成，二者結(jié)合等效為NPN管，負責輸出正半波；輸出級下臂是Q13，PNP管，負責輸出負正半波。

Q7是輸出正半波過載保護，當正半波輸出且負載電流過大時，RSC壓降超過0.6V以上時，Q7導通、拉低Q5基極電壓，抑制正半波輸出幅度不能太大。

因為LM358的輸出信號線性度不好，容易出現(xiàn)失真，所以，它主要用于非線性應用的領(lǐng)域，比如組成比較器、檢波器，或者對輸出波形失真要求不高的場合。
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