运算放大器内部组成略谈

1、运算放大器介绍

1. 运放的开环增益非常大，即下图中Auo很大。

2. 运放的输入端没有电流，即运放具有极高的输入阻抗。

图(b)把输出端通过两个电阻分压，引回到了负输入端，形成了负反馈。根据数家要求的条件，有下式成立：

2、运算放大器内部组成介绍

运算放大器共分为3部分组成：输入级、中间级、输出级。

1. 输入级：输入级往往由一个双端输入的高性能差分放大电路。差分放大电路的出现是为了稳定电路的静态工作点，其输入电阻高，电压放大倍数大抑制零点漂移能力强等优点。
2. 中间级：中间级一般由共射放大电路组成，其主要作用是使集成运放具有较强的放大能力，多采用共射放大电路或者共源放大电路。为了更大的放大倍数，经常使用复合管以恒流源代替Rc电阻作为集电极负载。
3. 输出级：输出级一般由共集放大电路(射极跟随器)组成，不过为了交流信号的输出完整性，会将集电极上面的Rₑ电阻替换成一个三级管。

2.1输入级电路分析

2.1.1输入级电路分析(差分放大器)

图中R'e 、V'cc为戴维宁定理变换等效出的等效电源以及等效电阻，其表达是如下：

虽然由于输入回路参数对称，使静态电流其中IBQ1=IBQ2, 从而ICQ1=ICQ2=ICQ ；但是，由于输出回路的不对称性使得T1管和T2管的集电极电位UCQ1≠UCQ2,从而使得管压降UCEQ1≠UCEQ2。

1、静态分析:

当输入信号uI=0时，电阻Re中的电流等于T1管和T2管的发射极电流之和，即

基极回路方程：

通常情况下，由于Rb阻值很小(很多情况下Rb为信号源内阻)，而且IBQ也很小，所以Rb上的电压可以忽略不计。UBEQ为三极管处于静态工作点的电压，通常数据手册可以查到。
静态工作点：指在没有输入信号（即输入信号为零）时，三极管各极的直流电压和直流电流的值。

只要合理的选择Re的阻值，并与电源VEE相配合，就可以设置合适的静态工作点。由IEQ可得：

2、动态分析        --输入差模信号:

如图5所示，差模信号作用时，由于T1管和T2管中电流大小相等方向相反，所以发射极相当于接地。

当输入差模信号时，由于Ad的分母足够小(Rb以及rbe一般都是欧姆级别的数值，而RC//RL为千欧级别)，差模放大倍数Ad会得到一个足够大的值。
3、动态分析        --输入共模信号:

当输入共模信号时，由于两边电路的输入信号大小相等极性相同。

对于每一根管子，可以认为是△iE流过阻值为2Re所造成的，如图6右侧所示。与输出电压相关的T1管一边电路对共模信号的等效电路如图6右侧所示。

当输入共模信号时，由于Ac的分母非常大((1+β)Re,β一般为100以上，Re为千欧级别电阻)，共模放大倍数Ac会得到一个很小的值。
共模抑制比KCMR:

由共模抑制比KCMR公式所示：增大发射极Re电阻可以有效的提高共模抑制比。
4、交流信号等效电路参数：

2.1.2输入级电路分析(差分放大器-带恒流源)

在差分放大电路中，增大发射极电阻Re的阻值，可以有效地抑制每一边电路的温漂，提高共模抑制比，对于单端输出电路尤为重要。
那么我们可以无限制的加大Re的阻值不？那是当然不行的。
如图7 在输入信号uI一定的时候，如果无限制的增加Re阻值，电源VCC与VEE无法提供足够的能量，会致使三极管从放大区逐渐进入饱和区，这时候的三极管可不能作为放大器件来使用。
但是怎样才能解决这个问题呢？
增大共模抑制比=>增加Re电阻的阻值，我们可以选用恒流源，恒流源具有内阻无穷大的、不需要过高的输入电源供电等特点。具有恒流源的差分放大电路如图8。

如图8所示，R2上面的电压为：

T3管的集电极电流

若UBE3的变化忽略不计，则IC3基本不受温度影响。由图8可知，没有动态信号可以作用到T3管的基极和发射极，因此IC3等效为恒流。
当T3管输出特性为理想特性时，恒流源的内阻为无穷大，即相当于T1和T2管接了一个阻值为无穷大的电阻，对共模信号的负反馈无穷大。使得AC=0,KCMR=∞。
2.1.3电流源电路

集成运放电路中的晶体管和场效应管，除了作为放大管外，还构成电流源电路，为各级提供合适的静态电流；或作为有源负载取代高阻值的电阻。
1、镜像电流源

首先，电路所用的两个管子都是特性完全相同的，因此β1=β2。由于T0管的基极与集电极被相互连接，所以Ube0=Uce0，确保了管子处于放大状态。这是电路正常工作的前提。
此外，由于T0管和T1管的基极对地电位相同，射级都接地，即Ube1=Ube2，则IB0=IB1=IB，如图9所示。
根据上面提到的β1=β2，结合IB0=IB1=IB，则可以得到IC1=IC0。

所以集电极电流为：

当β>>2时，输出电流：

镜像电流源具有一定的温度补偿作用：

2、比例电流源

从电路可知：

根据晶体管发射结电压与发射极电流的近似关系①可得

由于T0与T1的特性完全相同，所以:

整理可得

当β>>2时：IE0≈IC0≈IR，IE1≈IC0：

①在忽略基区电阻rbb’上的电压时，晶体管发射极电流与b-e之间电压的关系约为：

其中：
UT为热电压，一般为26mv
IS为集电极的饱和电流
3、微电流源

当β>>1时

图11中T0与T1管的特性完全相同

4、加射极放大器的恒流源

利用T2管的电流放大作用，减少基极电流IB0和IB1对基准电流IR的分流。T0、T1和T2特性完全相同

输出电流为：

整理后可得：

即使β值很小，也可以认为IC1≈IR，IC1与IR可以保持很好的镜像关系。
2.2中间级电路分析(共射极放大器)

节点B处的电流方程为:

为了稳定Q点(静态工作点)，是三极管处于放大状态，通常使参数的选取满足I1>>IBQ
因此，I2≈I1，B点电位

表明基极点位几乎是由Rb1和Rb2对VCC分压决定，在温度发生变化时UBQ基本不变。
1、静态分析:

已知I1>>IBQ

发射极电流

由于ICQ≈IEQ，管压降

基极电流

在不管电路参数是否满足I1>>IBQ时，Re的负反馈都存在。利用戴维宁定理可知：

其中:

列出输入回路方程

可以得出IEQ

当Re>>Rb(1+β)时:

2、动态分析:

电路分析如下：

如Au电路放大倍数公式可知，放大倍数与集电极RC电阻的阻值成正向关系，与发射极Re电阻阻值成反向关系。
共射放大电路在作为集成运放的中间级时，为了提高放大倍数，一般会将集电极电阻替换成恒流源。(恒流源的特点：内阻无穷大，不需要过高的输入电压)
2.3输出级电路分析(共集电极放大器)-互补级输出

由于晶体管的门限电压不为零，比如一般的硅三极管，NPN型在0.7V以上才导通，这样在00.7就存在死区，不能完全模拟出输入信号波形，PNP型小于-0.7V才导通，比如当输入的交流的正弦波时，在-0.70.7之间两个管子都不能导通，输出波形对输入波形来说这就存在失真，即为交越失真。
克服交越失真的措施是：避开死区电压区，使每一晶体管处于微导通状态，一旦加入输入信号，使其马上进入线性工作区。如图12所示。

提供给晶体管静态偏置使其微导通有三种途径：
（1）利用二极管和电阻的压降产生偏置电压；
（2）利用VBE扩大电路产生偏置电压 --VBE倍增电路(常用)
（3）利用电阻上的压降产生偏置电压。

(a)电路分析如下：

(b)电路分析如下；若I2>>IB则：

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