一文详解集成运放MC4558的内部电路

从本质上讲，集成运放是一种高性能直接耦合放大电路，虽然内部结构各不相同，但是它们的基本组成部分、结构形式、组成原则基本一致，几无例外的是输入级均采用差动放大器。

MC4558是应用最为广泛的通用型8脚集成运放，常见封装形式为SOP8（贴片）和双列直插（DIP8）两种，如图1所示。

图1 MC4558两种常见封装类型

其内部包含两个相对独立单元电路，功能完全相同，如图2所示。

图2 MC4558内部功能框图

在设计MC4558的相关电路时，由于涉及到与其它阻容等元件的连接，因此，为了便于原理分析，往往它的功能单元与其他阻容元件画在一起，根据实际应用情况，可以单独使用其中任何一个单元，或两个单元同时使用。于是，电路设计软件中就安排它为两个独立单元，如图3所示。

图3 MC4558内部两个相同的单元电路

两个单元电路分别称为A单元和B单元，它们共用供电脚。内部任一个运放单元的详细电路如图4所示。8脚接正电源Ucc，4脚接负电源-UEE或地，它们在IC在内部共用。

图4 MC4558内部一个单元电路原理图

虽然MC4558内部电路比较复杂，但是按各部分电路的作用与功能可划分为4个模块，如图5所示。它们分别是是差分输入级、电压放大级、偏置电路和输出级。

图5 MC4558一个单元电路的功能框图

1）差分输入级

一般是由晶体管（BJT）或结型场效应管（JFET）组成的差动放大电路，利用它的对称特性提高整个电路的共模抑制比和其他方面的性能。它的两个输入端分别标示“+”、“-”符号，其中带“+”号为同相输入端，带“-”号为反相输入端。

2）电压放大级

电压放大级的主要作用是提高电压增益，它可由一级或多级放大电路组成，集成运放的电压放大，主要是由这一级电路来实现。

3）输出级

输出级一般电压跟随器或互补电压跟随器构成，以降低输出电阻，提高带负载能力。

4）偏置电路

偏置电路为各级提供合适的工作电流。此外还有一些辅助环节，如电平移动电路，过载保护电路以及高频补偿电路等。下面对各部分具体电路逐一介绍。

1．启动电路

启动电路由N沟道结型场效应管VT15和稳压二极管Z1组成。静态时，场效应管栅极电位为UEE（单电源供电时为0，双电源供电时为负电压）。若电源电压足够高，稳压管ZD1被击穿，VT15依靠稳压管ZD1建立一个负的偏置电压，VT15导通给VT14的基极提供偏置电压，VT14的b-e结与ZD1和R9构成恒流源，为输入级和激励级电路提供偏置电流。若电压太低，ZD1不能被击穿，恒流源不能正常工作，整个电路也不工作。恒流源的偏置电流为Ic14

2．镜像恒流源和微变恒流源

晶体管VT7与VT13的基极、发射极分别并联，因此二者构成镜像恒流源，它们再与VT5构成微变恒流源，所以VT5的集电极电流很小，一般是微安级。

3．差分输入级

差分输入级是双端输入、单端输出，由VT1、VT2（制造工艺保证它们特性相同）和位于上侧的微变电流源和位于下侧的比例电流源一起构成；其中，微变恒流源如差动放大器长长的尾巴，工程上常称之为微变恒流源长尾式差分放大器。

4．比例恒流源

在共射放大器中，增大集电极电阻Rc能提高电压放大倍数。然而，为了维持晶体管的静态电流不变，在增大Rc的同时必须提高电源电压，但这在实际工程设计并不能随心所欲。在集成运放中，常用恒流源取代Rc，这样在电源电压不变的情况下，既可获得合适的静态电流，对于交流信号，又可得到很大的等效Rc。换句话说，恒流源具有较低的直流等效阻抗，同时又具有很大的交流阻抗，对抑制差分输入级的共模信号大有裨益。

由于晶体管是有源元件，由恒流源取代Rc作为负载称为有源负载（接在对差动对管的集电极，这是作为有源负载的重要特征），可以使单端输出的差动放大器差模放大倍数提高到接近双端输出时的情况。

比例恒流源由VT3、VT4（制造工艺保证它们特性相同）和R2、R3组成，为保证输入级的对称性，一般来要求R2=R3，此时Ic3≈Ic1，Ic4≈Ic2，则VT6的基极电流约等于0。

5．中间电压放大级

差动放大器的输出信号由VT2集电极引出，送到电压放大级的缓冲级VT6，VT6是射极跟随器，输入阻抗高、输出阻抗低，能增强对电压放大管的电流驱动能力，极大地提高了开环增益。静态时，VT2集电极电位是VT6与VT10的b-e结压降之和。R4为VT6设置静态电流，Ic6≈0.6V/R4。

6．输出电路

VT8和VT9组成2倍倍增电路，抵消输出管VT11和VT12发射结死区压降。由于R5与VT9发射结并联，故IR5=Ube9/R5，该电流约等于VT8的发射极电流。合理设置R5的阻值，就可以使VT8、VT9均处于放大状态。因VT8的b、c极并联，故晶体管当二极管使用，因此VT9的c-e极间电压Uce9相当于两只串联二极管的压降，完全可以抵消管VT11、VT12为发射结死区电压，消除交越失真。另外，它们都位于一块微小的半导体晶片上，传热效果良好，因此还具有温度补偿作用。

晶体管VT11、VT12为互补输出管，发射极串联的电阻R6、R7以及串接在输出通路中电阻用于保护集成电路在意外情况下免遭损坏，R6～R8的取值范围约为几十至一百几十欧姆。正因为这3只电阻的存在，限制了输出电流不可能大，因此这种集成运放多用于电压放大器或比较器等小电流的场合。

电容C2为密勒电容，跨接于互为反相的信号两端，用于高频补偿。在我的《音频功率放大器设计》一书中，对于该电容作用与特性，有更详细地介绍。

与MC4558功能相似的集成电路还有MC5532、TL082等。另外，还有4运放的器件，比如TL084、LM324等，它们是4个单元封装在一个芯片中。

与MC4558类似的另一个常见集成运放是LM358，其一个单元的内部原理如图6所示。

图6 LM358内部电路原理图

差动输入采用复合管Q1与Q2等效我PNP管，Q3与Q4等效为NPN管，采用复合管输入的好处是增大电路的输入阻抗，减小运放的输出电流，这样设计，使得它的输入端与外电路“几乎没有电流”联系，即输入端“续断”。

在该电路的下方，晶体管Q8与Q9组成镜像电流源，作为差动级的集电极有源负载，这种电路有利于差模信号的放大，同时又能较好的抑制共模噪声。

Q10与Q11组成两级电压跟随器，它们的功能与图4中VT6是一样的。

Q12是激励管，它负责整个IC的电压放大。

输出级上臂由Q5、Q6组成，二者结合等效为NPN管，负责输出正半波；输出级下臂是Q13，PNP管，负责输出负正半波。

Q7是输出正半波过载保护，当正半波输出且负载电流过大时，RSC压降超过0.6V以上时，Q7导通、拉低Q5基极电压，抑制正半波输出幅度不能太大。

因为LM358的输出信号线性度不好，容易出现失真，所以，它主要用于非线性应用的领域，比如组成比较器、检波器，或者对输出波形失真要求不高的场合。
责任编辑人：CC