7.1 运算放大器的内部构造

7.1.1 集成运算放大器的演变历史

    集成运算放大器是线性集成电路中最通用的一种。线性集成电路的使用范围很广，但要标准化比较困难。而集成运算放大器与整个线性集成电路相比，在使用范围上相对较窄，因而标准化比较容易。按照标准化要求，集成运算放大器中有相当大的一部分产品都是非原创品，甚至可以说使用的都是这些非原创品。集成运算放大器的{dy}个实用产品μA702的内部电路如图7.1所示。这种集成运算放大器不使用pnp晶体管制作。该集成运放具有共模输入电压低、输出振幅小、容易振荡等缺点。后来发表了改进这些缺点的μA709产品。μA709的内部电路如图7.2所示。μA709用得很广泛，至今仍在使用。但是，μA709有如表7.1所示的许多问题。

     μA709推出大约3年后，发表了解决这些问题的运算放大器μA741。这个产品能进行输出短路保护，xx了锁死现象，可以在内部进行相位补偿，失调补偿可以简单地通过在外部连接可变电阻来进行没有输出短路保护电路需要外接3个元件进行相位补偿,转换速率小， 仅为0.25V/μs,共模输入电压小， 仅为±10V,没有用于失调补偿的端子,差动输入电压小， 仅为±5V,常常发生锁死现象.

    就在同一时期，国家半导体公司发表了LM301产品。这个产品差不多与μA741具有相同的特性，但相位补偿需要在外面连接一个电容器，通过改变这个电容器的值来改变带宽，也可以通过前馈相位补偿的方法来扩展带宽，因此有比μA741容易使用的地方。图7.3和图7.4分别是μA741和LM301的内部电路图。其他的运算放大器可以说大多数是以μA741为基础，进行了高性能化（高精度、高输入阻抗、宽频带、低漂移、小偏置电流、功率微型化、可编程）、复合化（双重、四重）的改造。此外，诺顿运算放大器（电流差动输入运算放大器）也发表了几种。将运算放大器设计成采用单电源而不是双电源的产品也很多。以上谈的是单片运算放大器，非单片混合运算放大器也发表了很多。

7.1.2 运算放大器电路的基本构成

    芯片内制作线圈几乎不可能，电容器也只能制作小容量（几十皮法左右就达到了制作限度）的。所以，运算放大器也就是用晶体管和电阻构成的直接耦合放大器（直流放大器）。它的构成可用图7.5的方框图来表示。

7.2 运算放大器输入级电路

7.2.1 差动放大器

    开发运算放大器的主要目的是为了模拟计算机的运算放大，电路采用直流耦合（如果从制造工艺的角度来考察线性集成电路的话，制作大容量的电容器很困难，电路不得不采用直流耦合，另外制作线圈也很困难）。这种直流耦合与电容器耦合（交流耦合）相比，不仅能直流放大，而且高频特性也不坏，所以常常被模拟信号系统中的自动控制部分所采用。直流耦合放大器（直流放大器）的输入级采用差动放大电路。图7.6就是输入级的基本电路。

（1） 差动放大器的工作原理

    在图7.6中，Q₁、Q₂的集电极与负载电阻相接，两个发射极被连在一起后，与恒流源相接。Q₁、Q₂的发射极电流I_e1+I_e2=I_E，而I_E为恒流源。于是，一方I_e为I_E与另一方I_e之差，所以称它为差动放大器。

    输入信号加到in₁和in₂中，输出V_out可从out₁、out₂获取。这时输出与输入之比称为差动增益。在单端输入情况下，输入信号加到in₁或in₂与地之间，不用的输入端子与地相接。如果这时将输入端晶体管的集电极与地之间的电压作为输出，则与差动输入相比，能获得V_out/2的输出电压。V₁=V₂=V_C时的输入称为共模输入，噪声等就相当于这种输入。尽管理论上共模输入时集电极之间的输出V_out不会出现，但实际上各个集电极与地之间会有输出出现。假设在共模输入情况下集电极和地之间的输出电压关系为V_out1=V_out2=V_C0，则V_CO和V_C之比称为共模增益。运算放大器都尽量使共模增益变小。要想减小共模增益则应加大图7.6中恒流源的输出电阻R_E。如果R_E采用电阻器，则电阻值不能做得很大，而采用恒流源可制作所需大小的R_E。

(2) 差动放大器的特征

    差动放大器与图7.7的一般放大器相比，差动放大器使用的晶体管的数目要多几个，但稳定非常好，在使用时可以不必担心稳定系数，能进行直流放大，有很强的抑制共模输入（噪声）能力等，优点很多。但是，也存在着一些缺点，如电源需要两个（若只是交流放大，单个也可以），电源的利用率低等。图7.7为电流放大，而差动放大器是电压放大。由于差动放大器基极也需要有电流流入，所以输入电阻不如使用FET等元件那么大，但还是比单个晶体管放大器的输入电阻大。

7.2.2 恒流源

    为了使运算放大器输入级电路（即差动放大器）的共模增益变小，必须使接在差动放大器发射极的电阻变大。但这样做会使差动增益发生变化，所以一般用恒流源取代电阻。要制作稳定性好的差动放大器就必须要有稳定性好的恒流源。图7.8为恒流源的基本电路。通过R₁、R₂将恒定电压加到差放的是晶体管基极上使其集电极电流恒定不变。图7.9是在运算放大器中使用的各种恒流电路。LM301等使用的恒流电路是利用镜像效应来达到恒流效果的。

下面说明图7.10的电流镜像电路中I_O≈I_B的原因。

I_B=I_B1+I_B2+I_C

由于两个晶体管特性相同，所以

I_B1=I_B2=I_B＇，h_fe1=h_fe2=h_fe

I_B=2I_B＇+I_C I_C=h_fe·I_B＇

I_B=2I_B＇+h_fe·I_B＇

因此,I_O=h_fe·I_B＇←用I_B＇替代I_B1

所以,I_O=h_fe·I_B/(2+h_fe)

若h_fe》2,则I_O≈I_B。

7.2.3 用晶体管制作的二极管

    在集成运算放大器中，二极管多数情况是用来产生电平移动和偏压。电路中并不直接采用二极管，而是将制作好的晶体管连接成二极管（这个与集成电路的制造工艺以及二极管正向压降和晶体管V_BE之间的关系等有关）。图7.11是用晶体管制作二极管的几种连线方法。

7.3 中间级和输出级电路

7.3.1 将差动输出变成单端输出

    差动放大器的输出是从两个晶体管的集电极中获得的，而下一级放大器如只有一个输入端，这之间究竟应该怎样连接在一起呢？图7.13是一个双端变单端的转换电路。无差动输入时，T_r2和T_r3都有相同的集电极电流I_C流入。假如有差动输入，则T_r2的集电极电流变成I_C+△I_C2，而T_r3的集电极电流变成I_C+△I_C3。△I_C2的变化将会引起T_r2的集电极产生△V₂的电压变化。然而T_r2的V_CB等于T_r1的V_BE，是一个固定值，所以T_r2的基极电位也会产生△V₂的变化。T_r3的基极电位也变化△V₂，从而导致集电极电流由△V₂产生的△I_C2的变化。这样就可以将△I_C2-△I_C3的变化量传递给单端输入放大器。这个电路也采用了电流镜效应。图7.14的虚线部分与图7.13电路相对应。

7.3.2 输出电路

    运算放大器的输出电路要求输出阻抗低（理想情况下为零），失真小，输出电压振幅大。

    早期的运算放大器μA702采用的是如图7.15所示的射极跟随器，达到了输出阻抗低的要求。但是这种电路不能产生很大振幅的输出电压。后来μA709就变成了图7.16所示的互补射极跟随器。由于它工作在B类状态会产生交叉失真，于是就通过用R₁₅施加负反馈（NFB）来减少这种失真。LM301、μA741等运算放大器采用的是图7.17、图7.18所示的二极管和电平移动电路构成的AB类工作的互补电路。所以它们的输出阻抗低，可以获得失真小的大振幅电压。

7.3.3 过量电流限制电路

    当输出端子的连接错误造成短路时，或者出现超出规格以上的输出电流时，运算放大器会受到损坏。μA702、μA709没有接入保护电路。但是近年来的运算放大器都已接入过量电流限制电路。那么过量电流限制电路究竟是一个什么样的电路呢？图7.19就是一个过量电流限制电路，图7.20是它的原理图。

    在图7.20中，随着I_O的变大，R_S两端的压降也会增加。当这个电压超过T_r2的V_BE时，T_r2开始工作。I_B中就会有一部分电流I_C2流入T_r2，使得T_r1的基极电流减少，I_C1即I_O也会减少。这就是过量电流的限制原理。这种原理不仅可以应用于运算放大器，而且也可以应用于稳压电源的过量电流限制。这种电流限制特性叫垂下特性（或称限流特性），其他还有如图7.21所示的减流特性过量电流限制电路。

7.4 选择运算放大器的要点

7.4.1 关于运算放大器的选择

    在使用运算放大器时，除了什么品种都无所谓的情况外，应必须对品种进行挑选。首先决定想要制作的电路，然后考虑电路的功能、所需的性能等，{zh1}进入集成电路挑选阶段。一般不要选择比所需性能还要高的品种。产品性能越高，成本也越高，使用时必须注意的事项也就越多。选择通用且有很多非原创品的品种不仅成本低，而且也容易购到。那么挑选要点究竟是什么呢？下面就几个具有代表性的参数进行说明。

（1） 频率与增益
看一下运算放大器的规格表，就会看到写有开环电压增益A_OL=200000倍（106dB）等数据。只看这个数据就会觉得这是一个具有很大电压增益的放大器。但另一方面，规格表上画有如图7.22所示频率与开环电压增益的曲线。由图7.22可知，要保持增益很大，频率需限定在10H_Z左右。随着频率的增高，增益以1/10（-20dB/10倍频程）的比例下降。也就是说，增益很大是针对直流而言的。图7.23所示的运算放大器加反馈后闭环增益为40dB（约100倍）。从图7.22可看出，在40 dB的范围内可使用的频率为10kHz。在10H_Z以上频率每上升10倍。增益就下降10倍，这是无反馈的情况。从图7.23可求得加反馈后闭环增益为40 dB可使用的上限频率是多少呢？由图7.23可得反馈系数β=R₁/（R₁+R₂）≈0.01，从而得环路增益A=β·A_OL≈2000。根据图7.22可以画出这一环路增益变成了1倍（0 dB），40 dB可使用频率上限为100H_Z。这一点需要引起注意。下面说明符合使用要求的开环电压增益A_OL的求解方法。按照FC规格表，假定直流闭环增益为y，在{zd0}工作频率之处的增益下降率为χ，那么A_OL≥（Y+1）（1-χ）/χ.

（2） 转换速率
关于转换速率前面已经说明过，这里再重新概括一下。如果将运算放大器当作电压跟随器来输入方形脉冲，则会有如图7.25所示的输出。这当中输出电压产生的延迟量，即△V/△t(V/μs)被定义为转换速率。表7.1所示；罗列了一部分通用运算放大器的转换速率。这里必须注意的是，性能会因厂家的不同而不同。当闭环增益发生改变时转换速率会发生大幅度的变化，还会随电源电压和温度的变化而变化（温度上升，转换速率趋于下降）。在采用外部补偿的运算放大器中，通过外部补偿的方法甚至可以得到比标准补偿大20倍左右的转换速率，所以要仔细查看规格表。图7.26所示表示了正弦波通过不同转换速率的放大器后得到的输出波形。不难看出，转换速率大的响应好。

（3） 失调电压、电流
运算放大器作为交流放大器使用一般不会产生问题，但是在处理像热功率放大等之类的直流微小信号时会产生问题。现在让我们考虑一下如图7.27所示的电路。如果用V_OS、I_B等对电路产生影响的参数来表示输出电压，则在图7.27(a)中
V_out=(1+R₂/R₁)V_OS+I_OSR₂
在图7.27(b)中
V_out=(1+R₂/R₁)V_OS+I_BIASR₂

按照图7.28的电路给出的数据，可求得输出失调电压为V_out≈7.5V。这样大的失调电压当然不能使用，所以还需选用失调电压小的运算放大器。在如图7.29所示的采样保持电路中，偏置电流存在问题。通过计算保持时间就会知道，1mV的电压变化量只能保持0.5S左右。除这一些需要注意外，还有其他如温度系数等事项需要注意。

7.5 电路图中未提到的问题

7.5.1 运算放大器发热问题（芯片温度和外壳温度）

即使选用特性很好的电阻和电容器，运算放大器自身的温度上升也会对漂移产生很大影响。图7.30是一个放大倍数为2倍的反相放大器。假设电源电压为±15V，由规格表可查得电源电流的{zd0}值为10mA。不难求得，这个运算放大器的消耗功率为315mW。由查规格表可知管壳类型θ_jA=150^○C/W。这时芯片的温度T_j=72^○C。由于芯片温度的{zd0}值为115^○C，所以还有相当大的余地。但是芯片的温度每上升10^○C，输入偏置电流就会成倍增加。根据规格表，这时偏置电流的{zd0}值为200pA，温度上升后的I_B变成

这是一种不可忽视的情况。由θ_jC=45^○C/W可求得外壳温度T_C≈58^○C。所以要想尽可能地控制温度上升，要么将电源电压降到所需的最小下限以内，要么安装散热器。注意，不要将几个电路封装在一起使用。

还有一个问题就是输出短路时所出现的情况。从图7.31可看出，LF357的限流电阻为25Ω，大约有25mA的电流流过。这个电路并不隔断输出，而只是将输出控制在25mA左右。为此，将有P_D=15V×25mA=375mW的功率被消耗掉，所以有过热破坏的危险。

7.5.2 输入电路的保护与注意事项

如图7.32所示，运算放大器相互连接一般不会有问题。但是外部信号通过连接器输入时，过大输入信号、感应和电涌等都会对电路造成不好的影响，所以需要对运算放大器的输入进行保护。据说人体特别是在天气干燥的时候带有几千到几万伏的电荷。如果将这些电荷进入输入端子，让它们放电的话，就有可能破坏输入级电路。特别是在高输入阻抗时，输入部分处于开路状态就会有问题。图7.33为一些经常被使用的输入保护电路。其中图(a)是反相放大器经常采用的保护电路。通过二极管将电位箝到0.6V左右。如果考虑到有过大输入电压存在，则R₁不能选取太小。图(b)为同相放大器采用的保护电路。从降低电源端阻抗的需要来看，在二极管和地之间应该接入一个1μF的钽电容器。在这个保护电路中，如果将运算放大器的电源关掉，并在输入端加入电压，电流会流入R₁和二极管，有时可能会造成二极管损坏，所以要特别注意R₁的大小。图(c)是带有内部保护电路的运算放大器。V_in超过1V时，有损坏的可能性，所以一定要接上R。

（1） 用作比较器时的注意事项
保护电路内置型运算放大器用作比较器使用时，要注意对输入电路的保护。图7.34就是这种电路的例子。

（2） 电源关掉时的注意事项
无论什么样的运算放大器，当电源变成反偏置状态时，它的输入阻抗都会变低，并有可能导致损坏。特别要注意电源关掉时的正尖峰和负尖峰（见图7.35）。

7.5.3 高输入阻抗化

要想放大微小信号的交流成分，需要高输入阻抗电路，这时可能会想到自举扩展电路。对于图7.36的电路而言，输入阻抗高达125MΩ，传输误差为0.02％左右，就性能来说，是没问题的。就噪声而言，如图7.37所示，R₁的热噪声将按开环增益倍数放大，所以尽量不要使用这种电路。

本章小结

（1） 运算放大器的{dy}个产品是μa702。所有的运算放大器都是兄弟。

（2） 运算放大器的内部构造全是半导体（连电阻也是用半导体制作的，小容量的电容器同样是用半导体制作的。）

（3） 非原创品运算放大器不一定和原创品xx相同。

（4） 注意输入级含保护电路的产品的使用方法。

（5） 要注意输出级不含过流保护电路的运算放大器的输出短路。即使有限流保护电路，短路也是禁止的。

（6） 要详尽搞清运算放大器的挑选要点很困难， 但至少要弄清是用直流还是用交流。如果是交流， 那么至少要弄清它的频率是多少， 信号电平有多大。

（7） 自举扩展电路要注意噪声。

（8） 这一章没有讨论衬底模型上有R、L、C的情况。如果将指 纹弄到模型上， 绝缘电阻会变得惊人地小。不 仅运算放大器会出现噪声， 而 且电阻器也会出现噪声。地线集中一点接地， 地线的处理方法也有先后顺序。电源线必须戴上线圈套。要注意防止外来噪声入侵和运算放大器的发热。另外还有许多需要注意的问题， 这一些都希 望大家进一步学习。

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