成就電子電路設(shè)計(jì)高手(六)，運(yùn)算放大器電子電路設(shè)計(jì)

對(duì)于電子電路設(shè)計(jì)，電子領(lǐng)域的朋友均有所了解。往期文章中，小編介紹過(guò)諸多電子電路設(shè)計(jì)理論，并帶來(lái)了電子電路設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)例。本文對(duì)電子電路設(shè)計(jì)的講解，主要在于介紹運(yùn)算放大器的電子電路設(shè)計(jì)。如果你對(duì)本文即將討論的內(nèi)容存在一定興趣，請(qǐng)繼續(xù)往下閱讀哦。

運(yùn)算放大器的偏置電路與分立放大電路的偏置電路設(shè)計(jì)有很大不同，主要由各種形式的恒流源電路實(shí)現(xiàn)，熟悉各種形式的恒流源電路是閱讀運(yùn)放電路的基礎(chǔ)。運(yùn)算放大器的輸入級(jí)通常是差分放大電路，其主要功能是抑制共模干擾和溫漂，雙極型運(yùn)放中差分管通常采用CC-CB復(fù)合管，以便拓展通頻帶;運(yùn)算放大器的中間級(jí)采用共射或共源電路，并采用恒流源負(fù)載和復(fù)合管以增加電壓放大倍數(shù)。雙極型運(yùn)算放大器的輸出級(jí)采用互補(bǔ)輸出形式，其主要功能是提高負(fù)載能力并增大輸出電壓和電流的動(dòng)態(tài)范圍。二只輸出管輪流導(dǎo)通，每管工作在乙類狀態(tài)。為消除交越失真，通常會(huì)給輸出管提供適當(dāng)?shù)钠秒娏鳎屍涔ぷ髟诩滓翌悹顟B(tài)。

集成運(yùn)算放大電路的一般組成及其單元結(jié)構(gòu)，如恒流源電路、差分放大電路、CC-CE、CC-CB電路和互補(bǔ)輸出電路等。運(yùn)算放大器主要由輸入級(jí)、中間放大級(jí)、輸出級(jí)和偏置電路等四部分組成，如圖1所示。

圖1

由于集成電路工藝的限制，各級(jí)之間采用直接耦合。為保證輸入短路時(shí)，輸出直流電平為零，有時(shí)還需要在級(jí)間加入電平移動(dòng)電路。運(yùn)算放大電路的主要功能是進(jìn)行線性放大。此外還有一些附加功能電路，如交流鏡像電流源電路，輸出保護(hù)電路，交越失真補(bǔ)償電路，電平移動(dòng)電路等，這些電路為保證放大功能提供輔助作用，通常并不影響放大電路指標(biāo)計(jì)算。對(duì)輔助電路進(jìn)行簡(jiǎn)化，可以方便交流分析。得到簡(jiǎn)化的交流等效電路后，將晶體管用小信號(hào)模型替代，就可以計(jì)算放大電路的動(dòng)態(tài)指標(biāo)。

圖2是uA741運(yùn)算放大電路的等效電路圖，試分析其基本工作原理。

圖2

運(yùn)放電路的結(jié)構(gòu)分解

輸入級(jí)是一個(gè)差動(dòng)放大電路，主要由T1、T3(共集-共基組合)和T2、T4組成。中間放大級(jí)由T16、T17、T23組成共集—共射電路;輸出級(jí)由T14、T20組成互補(bǔ)輸出電路。

靜態(tài)偏置分析

T10與T11構(gòu)成微鏡像電流源，一方面給T3、T4的基極提供偏置，另一方面由T8、R10構(gòu)成的鏡像電流源給T1、T2、T3、T4的集電極提供恒流偏置，同時(shí)作為T1、T2的恒流負(fù)載。

T13是多集電極管，它與T12構(gòu)成鏡像電流源。T13A一方面給T17提供偏置電流，同時(shí)作為T17的有源負(fù)載。T13B則是給T23提供偏置電流，同時(shí)作為T23的有源負(fù)載。

將電路中的鏡像直流電流源用等效恒流源代替，得到等效直流通路如圖3所示。

圖3

交流分析

差分輸入級(jí)中的T5、T6、T7管構(gòu)成高精度交流鏡像電流源，ic3=ic6，因而提供給T16的電流為Δi16B=Δic4-Δic6=Δic4-Δic3=2Δic4，使單端輸出的差分電路達(dá)到雙端輸出的效果。T5、T7同時(shí)分別作為T3、T4的有源負(fù)載。電容C的作用是進(jìn)行相位補(bǔ)償，用于防止該運(yùn)放可能產(chǎn)生的自激振蕩。輸出級(jí)中的T18，T19，R8給互補(bǔ)輸出管T14，T20提供靜態(tài)偏置，以消除交越越失真。R10、R11是輸出限流保護(hù)用取樣電阻，當(dāng)輸出電流過(guò)大時(shí)，T15或T20導(dǎo)通，通過(guò)T22、T24組成的鏡像電流源，將該電流鏡像至T23的另一個(gè)基極，通過(guò)負(fù)反饋抑制輸出電流的增大。

將輔助電路簡(jiǎn)化后的等效交流通路如圖4所示。

圖4

其中，r02,r03是恒流源I2,I3的內(nèi)阻。

例2，圖5是CMOS運(yùn)放C14573的等效電路圖，試分析其基本工作原理。

圖5

運(yùn)放電路的結(jié)構(gòu)分解

輸入級(jí)是差動(dòng)放大電路，主要由增強(qiáng)型MOS管T1、T2組成。輸出級(jí)是一個(gè)簡(jiǎn)單的共源電路，由T8實(shí)現(xiàn)。

基準(zhǔn)電流分析

T5和外接電阻R產(chǎn)生運(yùn)放的基準(zhǔn)電流IREF。

靜態(tài)偏置分析

T6與T5構(gòu)成鏡像電流源，且T6作為T1、T2源極上的恒流源，并為它們提供直流偏置，T3、T4是T1、T2的恒流源負(fù)載。

T7與T5構(gòu)成鏡像電流源，且T7給T8漏極提供直流偏置，同時(shí)作為T8的恒流源負(fù)載。將鏡像直流電流源用等效恒流源代替，得到等效直流通路如圖6所示。

圖6

交流分析

差分輸入級(jí)中的T3,T4管構(gòu)成交流鏡像電流源，iD1=iD4，因而提供給T8的電流為Δi=ΔiD2-ΔiD4=ΔiD2-ΔiD3=2ΔiD2使單端輸出的差分電路達(dá)到雙端輸出的效果。電容C的作用是相位補(bǔ)償，用于防止自激振蕩。將輔助電路簡(jiǎn)化后的等效交流通路如圖7所示。

圖7

其中，r1,r2是恒流源I1,I2的內(nèi)阻。

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