运算放大器 · 原理
运算放大器 ? 原理
不失真的放大于现代化的各种场合占据着举足轻重的角色:杠杆原理、光学放大、变压器等等。在电子元件领域，放大电路是必不可少的:传感器获得的模拟信号通常很微弱，只有经过放大后才可以很容易的对信号进行各种操作。最初的集成放大电路多用于数学运算场合，因此称为集成运算放大电路，即现在的运算放大器(op-amp)，其基本特征是功率放大。如图为运放的基本符号:
运放的基础元件是晶体管和场效应管。常见的双极型晶体管(Bipolar Junction Transistor)又称为晶体三极管，具备功率放大作用，是放大电路的核心元件，可以将输入的微小变化不失真的放大输出。在集成电路中，相邻的电子器件参数具有良好的一致性;纵向晶体管的放大倍数β大，横向晶体管的耐压高;电阻和电容的规格有一定的限制等等。
尽管生产厂家不同，运放的性能和规格有所差异，但是其基本结构均由四部分组成:高阻输入级、中间放大级、低阻输出级和偏置电路。
输入级:又称前置级，通常是双端输入的高性能差分放大电路(Differential Amplifier)，以提供高输入阻抗，大放大倍数等，输入级是影响运放大多数性能参数的重要部分。
中间级:又称增益级，是运放的主要放大电路，多采用共射放大电路实现较强的放大能力，有时采用复合管以获得更大的电压放大倍数。
输出级:采用互补对称电路实现限流、低输出阻抗(负载可变范围大)、高驱动力和短路保护等功能。
偏置电路:用于设置运放放大电路的静态工作点，静态工作点的设置影响着放大电路的几乎所有动态系数和失真情况。
以常用稳定的μA741运算放大器的内部结构图为例:
蓝色部分(左侧)为差分电路构成的输入级;
红色部分为两个镜像电流源(上方)和一个微电流源(下方)组成的偏置电路;
紫色部分由复合管构成的中间级;
绿色部分为电压倍增电路，浅蓝色互补电路同绿色部分两者构成输出级。
运放电路中，通常偏置电路的基准电流是唯一可以直接估算出来的电流，由运放内部各级使用的偏压电流(镜像、比例、微电流源等)组成。从图中可以看出，741由正负两路电源供电，经过Q12、39kΩ电阻、Q11到达负端，因此39kΩ电阻中的电流为偏置电路的基准电流。偏置电路中的Q8、Q9构成镜像电流源，为第一级提供静态电流。Q12和Q13构成镜像电流源为中间级和输出级提供静态电流。
偏置电路:
偏置电路由两个镜像电流源和一个微电流源构成，根据唯一的回路，可以计算得到基准电流:
微电流源由Q10和Q11组成，由电路
分析
定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析
得到输入到Q10的电流为:
镜像电流源Q12和Q13输出到输出级的电流大小为:
镜像电流源具有一定的温度补偿作用，其原理就是负反馈。
输入级:
左侧的蓝色部分为运算放大器的差分输入级，由7个晶体管构成。输入电压加在Q1和Q2两个大β值纵向管组成的输入端，Q1和Q2接在耐压高的横向管共基极组态Q3和Q4上，形成共集-共基极电路。Q3和Q4用于电压位准移位器(voltage level shifter,同绿色部分功能)，用以驱动中间级的Q16，因此输入级可以承受较高的输入电压。
由Q5、Q6和Q7构成的镜像电流源作为差分放大电路的有源负载，提供较大的电压放大倍数，并且将Q3管集电极动态电流转换为输出电流。Q7的作用在于利用自身的共射增益增加镜像电流源复制电流的精准度。对于差模信号输
入，输出为单端，并且电流加倍。电流源同时还可以对共模信号进行抑制:当共模信号输入时镜像电流源的输出电流近似为0，因此提高了共模抑制比。
当输入级静态电流增大时，Q8和Q9管的集电极电流会相应增大，由于输入到微电流源Q10处的电流基本恒定，因此导致差分电路部分电流相应减小，致使它们基本不变。此外由于非理想运算放大器，输入端电流实际并不为0，会存在输入端偏移电压。可以通过镜像电流源的射极由外加DC电压进行调控消除。
因此输入级是高输入阻抗、耐压高、温漂和共模抑制强、较大的差模放大倍数的双端输入单端输出差分放大电路。
中间级:
紫色区域是运放的中间增益级。在这部分使用复合管--达灵顿晶体管(Darlington Pair)Q15和Q19为放大管，以电流源为集电极负载的共射放大电路具备很强的放大能力。电容C的作用是相位补偿，用于稳定输出信号，称为密勒补偿(Miller Compensation)。
输出级:
绿色部分和浅蓝色部分构成输出级。绿色区域包括两个电阻和Q16，构成倍增电路，为输出级设置合适的静态工作点，以消除交越失真，主要功能为电压位准移位器(voltage level shifter)。输出级中的电阻用于分流作用，限制发射极电流，保护Q14。
MSN空间完美搬家到新浪博客～
浙公网安备 33021202002483