運(yùn)算放大器工作原理

運(yùn)算放大器是一種集成電路，它是將電阻器、電容器、二極管、晶體三極管以及它們的連接線等全部集成在一小塊半導(dǎo)體基片上的完整電路。

常用F007型的封裝有圓外殼封裝、扁平單列插封裝和雙列直插封裝三種形式。集成電路可以分為數(shù)字集成電路和模擬集成電路兩大類。集成運(yùn)算放大器是模似集成電路中應(yīng)用最多的一種。

集成運(yùn)算放大器，簡(jiǎn)稱集成運(yùn)放或運(yùn)放。它的電路圖型符號(hào)如下圖1一1所示。

常用的集成運(yùn)放有單運(yùn)放、雙運(yùn)放、四運(yùn)放。這些僅是為它在不同條件和功能要求而制造而己。

從圖中可知集成運(yùn)算放大器有三個(gè)端子，即反相輸入端子、同相輸入端子和輸出端子。與輸出電壓極性相反的輸入端稱為反向輸入端（用符號(hào)“一”表示）、與輸出端電壓極性相同的輸入端稱同相輸入端（用符號(hào)“ ”表示）。

1、集成運(yùn)放根據(jù)性能要求，可分為通用型和專用型。通用型的直流特性較好，性能上能夠滿足許多領(lǐng)域應(yīng)用的需要，價(jià)格也便宜。專用型運(yùn)放低功耗型與高輸入阻抗型、高速型、高精度型及高電壓型等等。雖然集成運(yùn)放的產(chǎn)品種類很多，內(nèi)部電路也各有差異，但從電路的中 總體結(jié)果上來看又有許多共同之處。它們實(shí)際上都是直接耦合的多級(jí)放大器，極高的電壓放大倍數(shù)。通常都是由輸入級(jí)、中間級(jí)、輸出級(jí)和偏置電路四部分來組成。如下圖1－2所表示。

2、為了便于了解集成運(yùn)放的組成，下面以國(guó)產(chǎn)通用型集成運(yùn)放F007型進(jìn)行分析介紹。 F007型集成運(yùn)放由24個(gè)三極管、10個(gè)電阻器和1個(gè)電容器所組成，其原理電路圖如圖1－3表示。

①輸入級(jí)。它是集成運(yùn)放性能指標(biāo)好與壞的關(guān)鍵，通常采用差分放大電路來減小溫度漂移，獲得盡可能高的共模抑制此，以及良好的輸入特性。輸入級(jí)還要求具有高的輸入電阻，可以采用共集、共基復(fù)合電路。 F007的輸入級(jí)是由VT1~VT6組成的差動(dòng)式放大電路，由vT6的集電極輸出，VT1、VT3和VT2、VT4組成共集……共基復(fù)合差動(dòng)電路。ⅤT7用來構(gòu)成VT5、VT6的偏置電路。

②偏置電路。它根據(jù)各級(jí)的需要，集成運(yùn)放內(nèi)部采用各種形式的電流源電路。電流源具有很大的動(dòng)態(tài)電阻，可以作為中間級(jí)的有源負(fù)載和差分電路的恒流源電阻。電流源還為各級(jí)提供小而穩(wěn)定的直流偏置電流，從而確定合適而穩(wěn)定的靜態(tài)工作點(diǎn)。 在電路中，由 Ucc→VT12→R5→VT11→Uee構(gòu)成主偏置電路。主偏電路中VT11和V10組成微電流源，由lc10供給輸入級(jí)中的VT3、ⅤT4的偏置電流。ⅤT8和VT9組成鏡像電流源，供給VT1、VT2的工作電流。必須指出，由輸入的偏置本身構(gòu)成反饋環(huán)，可減小零點(diǎn)漂移。ⅤT12和ⅤT13構(gòu)成雙端輸出的鏡像電流源，VT13是一個(gè)雙集電極的PNP型三極管，可以看成兩個(gè)三極管，它們的兩個(gè)基→射結(jié)互為并聯(lián)。一路輸出VT13的集電極B，提供VT17的偏置電流，同時(shí)又作為中間放大級(jí)的有源負(fù)載；另一路輸出為vT13的集電極A，提供了輸出級(jí)的偏置電流。

③中間級(jí)。它是集成運(yùn)放的主要電壓放大級(jí)，采用帶有源負(fù)載的共射或共基放大電路來挖提高電壓增益，并將差分放大電路的雙端輸入轉(zhuǎn)換成集成運(yùn)放的單端輸出。 F007集成運(yùn)放這一級(jí)由ⅤT16和ⅤT17組成復(fù)合管共射極放大電路，其交流阻抗很大，所以這一級(jí)可以獲得很高的電壓放大倍數(shù)，與此同時(shí)它也具有較高輸入電阻。

④輸出級(jí)。它是用來提高電路的輸出電流和功率，即帶負(fù)載能力。 F007集成運(yùn)放的輸出級(jí)是由VT14和VT20組成的互補(bǔ)對(duì)稱電路。為了使電路工作于甲乙類放大狀態(tài)，利用VT18管集→射極兩端電壓Uce18接于VT14和VT20兩管基極之間，給ⅤT14、VT20提供一起始偏置電壓，同時(shí)利用VT19管（接成二極管）的Uee連接于VT18管的基極和集電極之間，形成負(fù)反饋偏置電路，從而使Uce18的值比較穩(wěn)定。 這個(gè)偏置電路由VT13A組成的電流源供給恒定的工作電流，VT22管接成共集電極電路。減小對(duì)中間級(jí)的影響。 為了防止輸入級(jí)信號(hào)過大或輸出短路而造成的損壞，電路內(nèi)備有過電流保護(hù)元件。當(dāng)正向輸出電流過大，流過VT14和R9的電流增大，將使R9兩端的壓降增加到足以使VT15管由截止?fàn)顟B(tài)進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，Uce15下降，從而限制VT14的電流。當(dāng)負(fù)向輸出電流過大時(shí)，流過VT20和R10的電流增加，使R10兩端電壓增大，使VT21由截止?fàn)顟B(tài)進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，同時(shí)VT23和VT24均導(dǎo)通，降低VT16及VT17的基極電壓，使vT17的Uc17和VT22的Ue22上升，使vT20趨于截止?fàn)顟B(tài)，因而限制了VT20的電流，達(dá)到了保護(hù)的目的。 整個(gè)電路要求當(dāng)輸入信號(hào)為零時(shí)輸出也應(yīng)為零，在電路的輸入級(jí)中，VT5、VT6管發(fā)射極兩端還可以接一電位器RP，中間滑動(dòng)觸點(diǎn)接－Uee，從而來改變vT5、vT6的發(fā)射極電阻來保證集成運(yùn)放靜態(tài)時(shí)輸出為零的要求。