4.3 集成运放电路简介

从本质上看，集成运放是一种高性能的直接耦合放大电路。尽管品种繁多，内部结构也各不相同，但是它们的基本组成部分、结构形式和组成原则基本一致。因此，对于典型电路的分析具有普遍意义，一方面可以从中理解集成运放的性能特点，另一方面可以了解复杂电路的分析方法。

我们知道，集成运放有四个组成部分。因此，在分析集成运放电路时，首先应将电路“化整为零”，分为偏置电路、输入级、中间级和输出级四个部分；进而“分析功能”，弄清每部分电路的结构形式和性能特点；最后“统观整体”，研究各部分相互间的联系，从而理解电路如何实现所具有的功能；必要时再进行“定量估算”。 在集成运放电路中，若有一个支路的电流可以直接估算出来，通常该电流就是偏置电路的基准电流，电路中与之相关联的电流源（如镜像电流源、比例电流源等）部分，就是偏置电路。将偏置电路分离出来，剩下部分一般为三级放大电路，按信号的流通方向，以“输入”和“输出”为线索，既可将三级分开，又可得出每一级属于哪种基本放大电路。为了克服温漂，集成运放的输入级几乎毫无例外地采用差分放大电路；为了增大放大倍数，中间级多采用共射（共源）放大电路；为了提高带负载能力且具有尽可能大的不失真输出电压范围，输出级多采用互补式电压跟随电路。

F007 是通用型集成运放，其电路如图4.3.1所示，它由 ± 15   V ±15\,\textrm V ±15V 两路电源供电。从图中可以看出，从 + V C C +V_{CC} +VCC​ 经 T 12 T_{12} T12​、 R 5 R_5 R5​ 和 T 11 T_{11} T11​ 到 − V C C -V_{CC} −VCC​ 所构成的回路的电流能够直接估算出来，因而 R 5 R_5 R5​ 中的电流为偏置电路的基准电流。 T 10 T_{10} T10​ 与 T 11 T_{11} T11​ 构成微电流源，而且 T 10 T_{10} T10​ 的集电极电流 I C 10 I_{C10} IC10​ 等于 T 9 T_9 T9​ 管集电极电流 I C 9 I_{C9} IC9​ 与 T 3 T_3 T3​、 T 4 T_4 T4​ 的基极电流 I B 3 I_{B3} IB3​、 I B 4 I_{B4} IB4​ 之和，即 I C 10 = I C 9 + I B 3 + I B 4 I_{C10}=I_{C9}+I_{B3}+I_{B4} IC10​=IC9​+IB3​+IB4​； T 8 T_8 T8​ 与 T 9 T_9 T9​ 为镜像关系，为第一级提供静态电流； T 13 T_{13} T13​ 与 T 12 T_{12} T12​ 为镜像关系，为第二、三级提供静态电流。F007 的偏置电路如图中所标注。将偏置电路分离出来后，可得到 F007 的放大电路部分，如图4.3.2所示。根据信号的流通方向可将其分为三级，下面就各级作具体分析。 （1）输入级 输入信号 u I u_I uI​ 加在 T 1 T_1 T1​ 和 T 2 T_2 T2​ 管的基极，而从 T 4 T_4 T4​ 管（即 T 6 T_6 T6​ 管）的集电极输出信号，故输入级是双端输入、单端输出的差分放大电路，完成了整个电路的对地输出的转换。 T 1 T_1 T1​ 与 T 2 T_2 T2​、 T 3 T_3 T3​ 与 T 4 T_4 T4​ 管两两特性对称，构成共集-共基电路，从而提高电路的输入电阻，改善频率响应。 T 1 T_1 T1​ 与 T 2 T_2 T2​ 管为纵向管， β \beta β 大； T 3 T_3 T3​ 与 T 4 T_4 T4​ 管为横向管， β \beta β 小但耐压高； T 5 T_5 T5​、 T 6 T_6 T6​ 与 T 7 T_7 T7​ 管构成的电流源电路作为差分放大电路的有源负载；因此输入级可承受较高的输入电压并具有较强的放大能力。 T 5 T_5 T5​、 T 6 T_6 T6​ 与 T 7 T_7 T7​ 构成的电流源电路不但作为有源负载，而且将 T 3 \pmb{T_3} T3​ 管集电极动态电流转换为输出电流 Δ i B 16 \pmb{\Delta i_{B16}} ΔiB16​ 的一部分。由于电路的对称性，当有差模信号输入时， Δ i C 3 = − Δ i C 4 \Delta i_{C3}=-\Delta i_{C4} ΔiC3​=−ΔiC4​， Δ i C 5 ≈ Δ i C 3 \Delta i_{C5}\approx\Delta i_{C3} ΔiC5​≈ΔiC3​（忽略 T 7 T_7 T7​ 管的基极电流）， Δ i C 5 = Δ i C 6 \Delta i_{C5}=\Delta i_{C6} ΔiC5​=ΔiC6​（因为 R 1 = R 3 R_1=R_3 R1​=R3​），因而 Δ i C 6 ≈ − Δ i C 4 \Delta i_{C6}\approx -\Delta i_{C4} ΔiC6​≈−ΔiC4​，所以 Δ i B 16 = Δ i C 4 − Δ i C 6 ≈ 2 Δ i C 4 \Delta i_{B16}=\Delta i_{C4}-\Delta i_{C6}\approx2\Delta i_{C4} ΔiB16​=ΔiC4​−ΔiC6​≈2ΔiC4​，输出电流加倍，当然会使电压放大倍数增大。电流源电路还对共模信号起抑制作用，当共模信号输入时， Δ i C 3 = Δ i C 4 \Delta i_{C3}=\Delta i_{C4} ΔiC3​=ΔiC4​，而 Δ i C 6 = Δ i C 5 ≈ Δ i C 3 \Delta i_{C6}=\Delta i_{C5}\approx\Delta i_{C3} ΔiC6​=ΔiC5​≈ΔiC3​（忽略 T 7 T_7 T7​ 管的基极电流）， Δ i B 16 = Δ i C 4 − Δ i C 6 ≈ 0 \Delta i_{B16}=\Delta i_{C4}-\Delta i_{C6}\approx0 ΔiB16​=ΔiC4​−ΔiC6​≈0，可见，共模信号基本不传递到下一级，提高了整个电路的共模抑制比。 此外，当某种原因使输入级静态电流增大时， T 8 T_8 T8​ 与 T 9 T_9 T9​ 管集电极电流会相应增大，但因为 I C 10 = I C 9 + I B 3 + I B 4 I_{C10}=I_{C9}+I_{B3}+I_{B4} IC10​=IC9​+IB3​+IB4​，且 I C 10 I_{C10} IC10​ 基本恒定，所以 I C 9 I_{C9} IC9​ 的增大势必使 I B 3 I_{B3} IB3​、 I B 4 I_{B4} IB4​ 减小，从而使输入级静态电流 I C 1 I_{C1} IC1​、 I C 2 I_{C2} IC2​、 I C 3 I_{C3} IC3​、 I C 4 I_{C4} IC4​ 减小，使它们基本不变。当某种原因使输入级静态电流减小时，各电流的变化与上述过程相反。 综上所述，输入级是一个输入电阻大、输入端耐压高、对共模信号抑制能力强、有较大差模放大倍数的双端输入、单端输出差分放大电路。

（2）中间级 中间级是以 T 16 T_{16} T16​ 和 T 17 T_{17} T17​ 组成的复合管为放大管，以电流源为集电极负载的共射放大电路，具有很强的放大能力。

（3）输出级 输出级是准互补电路， T 18 T_{18} T18​ 和 T 19 T_{19} T19​ 复合而成的 PNP 型管与 NPN 型管 T 14 T_{14} T14​ 构成互补形式，为了弥补它们的非对称性，在发射极加了两个阻值不同的电阻 R 9 \pmb{R_9} R9​ 和 R 10 \pmb{R_{10}} R10​。 R 7 R_7 R7​、 R 8 R_8 R8​ 和 T 15 T_{15} T15​ 构成 U B E U_{BE} UBE​ 倍增电路，为输出级设置合适的静态工作点，以消除交越失真。 R 9 \pmb{R_9} R9​ 和 R 10 \pmb{R_{10}} R10​ 还作为输出电流 i O \pmb{i_O} iO​（发射极电流）的采样电阻与 D 1 \pmb{D_1} D1​、 D 2 \pmb{D_2} D2​ 共同构成过电流保护电路，这是因为 T 14 T_{14} T14​ 导通时 R 7 R_7 R7​ 上电压与二极管 D 1 D_1 D1​ 上电压之和等于 T 14 T_{14} T14​ 管 b - e 间电压与 R 9 R_9 R9​ 上电压值和，即 u R 7 + u D 1 = u B E 14 + i O R 9 u_{R_7}+u_{D1}=u_{BE14}+i_OR_9 uR7​​+uD1​=uBE14​+iO​R9​当 i O i_O iO​ 未超过额定值时， u D 1 < U O N u_{D1}