运算放大器电路图的一般分析方法

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集成运算放大电路的一般组成及其单元结构，如恒流源电路、差分放大电路、CC-CE、CC-Cb电路和互补输出电路等。
运算放大器主要由输入级、中间放大级、输出级和偏置电路等四部分组成，如图1所示。



图1
        运算放大器的偏置电路与分立放大电路的偏置电路设计有很大不同，主要由各种形式的恒流源电路实现，熟悉各种形式的恒流源电路是阅读运放电路的基础。
        运算放大器的输入级通常是差分放大电路，其主要功能是抑制共模干扰和温漂，双极型运放中差分管通常采用CC-Cb复合管，以便拓展通频带；
        运算放大器的中间级采用共射或共源电路，并采用恒流源负载和复合管以增加电压放大倍数。
        双极型运算放大器的输出级采用互补输出形式，其主要功能是提高负载能力并增大输出电压和电流的动态范围。二只输出管轮流导通，每管工作在乙类状态。为消除交越失真，通常会给输出管提供适当的偏置电流，让其工作在甲乙类状态。
        由于集成电路工艺的限制，各级之间采用直接耦合。为保证输入短路时，输出直流电平为零，有时还需要在级间加入电平移动电路。
        运算放大器的读图过程如下：
        （1） 运放电路结构分解
        根据运放结构特点，将运放分解成输入级、中间级和输出级、基准电流源等四个基本部分。
        （2） 基准电流分析
        运放电路中均有一个供偏置用的基准电流源，由它产生基准参考电流

。
        （3） 静态偏置分析
        在基准电流基础上，通过镜像直流电流或微镜像直流电流源，产生各种大小的直流恒流源或直流微恒流源，这些直流恒流源提供放大用晶体管的静态偏置。
        将镜像直流源电路用等效恒流源代替，可以得到等效直流通路，用于分析各级直流偏置。
        （4） 交流分析
        运算放大电路的主要功能是进行线性放大。此外还有一些附加功能电路，如交流镜像电流源电路，输出保护电路，交越失真补偿电路，电平移动电路等， 这些电路为保证放大功能提供辅助作用，通常并不影响放大电路指标计算。对辅助电路进行简化，可以方便交流分析。
        得到简化的交流等效电路后，将晶体管用小信号模型替代，就可以计算放大电路的动态指标。
图2是uA741运算放大电路的等效电路图，试分析其基本工作原理。



图2
        （1） 运放电路的结构分解
        输入级是一个差动放大电路，主要由

、

（共集-共基组合）和

、

组成。中间放大级由

、

、

组成共集—共射电路；输出级由

、

组成互补输出电路。
        （2） 基准电流分析
        

、

、

组成运放的基准电流源，

中得到的基准电流为



                          
                       
                          
                               
（3） 静态偏置分析
        

与

构成微镜像电流源，一方面给

、

的基极提供偏置，另一方面由

、

构成的镜像电流源给

、

、

、

的集电极提供恒流偏置，同时作为

、

的恒流负载。
        

是多集电极管，它与

构成镜像电流源。

一方面给

提供偏置电流，同时作为

的有源负载。

则是给

提供偏置电流，同时作为

的有源负载。
        将电路中的镜像直流电流源用等效恒流源代替，得到等效直流通路如图3所示。



图3
        （4） 交流分析
        差分输入级中的

、

、

管构成高精度交流镜像电流源，

，因而提供给

的电流为

，使单端输出的差分电路达到双端输出的效果。

、

同时分别作为

、

的有源负载。
        电容C的作用是进行相位补偿，用于防止该运放可能产生的自激振荡。
        输出级中的

，

，

给互补输出管

，

提供静态偏置，以消除交越越失真。
        

、

是输出限流保护用取样电阻，当输出电流过大时，

或

导通，通过

、

组成的镜像电流源，将该电流镜像至

的另一个基极，通过负反馈抑制输出电流的增大。
        将辅助电路简化后的等效交流通路如图4所示。



图4
        其中，

是恒流源

的内阻。
        例2，图5是CMOS运放C14573的等效电路图，试分析其基本工作原理。



                          
                       
                          
                               

图5
        （1） 运放电路的结构分解
        输入级是差动放大电路，主要由增强型MOS管

、

组成。输出级是一个简单的共源电路，由

实现。
        （2） 基准电流分析
        

和外接电阻R产生运放的基准电流

。
        （3） 静态偏置分析
        

与

构成镜像电流源，且

作为

、

源极上的恒流源，并为它们提供直流偏置，

、

是

、

的恒流源负载。
        

与

构成镜像电流源，且

给

漏极提供直流偏置，同时作为

的恒流源负载。
        将镜像直流电流源用等效恒流源代替，得到等效直流通路如图6所示。



图6
        （4） 交流分析
        差分输入级中的

、

管构成交流镜像电流源，

，因而提供给

的电流为

，使单端输出的差分电路达到双端输出的效果。
        电容C的作用是相位补偿，用于防止自激振荡。
        将辅助电路简化后的等效交流通路如图7所示。



图7
        其中，

是恒流源

的内阻。