运算放大器工作原理

运算放大器是一种集成电路，它是将电阻器、电容器、二极管、晶体三极管以及它们的连接线等全部集成在一小块半导体基片上的完整电路。

常用F007型的封装有圆外壳封装、扁平单列插封装和双列直插封装三种形式。集成电路可以分为数字集成电路和模拟集成电路两大类。集成运算放大器是模似集成电路中应用最多的一种。

集成运算放大器，简称集成运放或运放。它的电路图型符号如下图1一1所示。

常用的集成运放有单运放、双运放、四运放。这些仅是为它在不同条件和功能要求而制造而己。

从图中可知集成运算放大器有三个端子，即反相输入端子、同相输入端子和输出端子。与输出电压极性相反的输入端称为反向输入端（用符号“一”表示）、与输出端电压极性相同的输入端称同相输入端（用符号“ ”表示）。

1、集成运放根据性能要求，可分为通用型和专用型。通用型的直流特性较好，性能上能够满足许多领域应用的需要，价格也便宜。专用型运放低功耗型与高输入阻抗型、高速型、高精度型及高电压型等等。虽然集成运放的产品种类很多，内部电路也各有差异，但从电路的中 总体结果上来看又有许多共同之处。它们实际上都是直接耦合的多级放大器，极高的电压放大倍数。通常都是由输入级、中间级、输出级和偏置电路四部分来组成。如下图1－2所表示。

2、为了便于了解集成运放的组成，下面以国产通用型集成运放F007型进行分析介绍。 F007型集成运放由24个三极管、10个电阻器和1个电容器所组成，其原理电路图如图1－3表示。

①输入级。它是集成运放性能指标好与坏的关键，通常采用差分放大电路来减小温度漂移，获得尽可能高的共模抑制此，以及良好的输入特性。输入级还要求具有高的输入电阻，可以采用共集、共基复合电路。 F007的输入级是由VT1~VT6组成的差动式放大电路，由vT6的集电极输出，VT1、VT3和VT2、VT4组成共集……共基复合差动电路。ⅤT7用来构成VT5、VT6的偏置电路。

②偏置电路。它根据各级的需要，集成运放内部采用各种形式的电流源电路。电流源具有很大的动态电阻，可以作为中间级的有源负载和差分电路的恒流源电阻。电流源还为各级提供小而稳定的直流偏置电流，从而确定合适而稳定的静态工作点。 在电路中，由 Ucc→VT12→R5→VT11→Uee构成主偏置电路。主偏电路中VT11和V10组成微电流源，由lc10供给输入级中的VT3、ⅤT4的偏置电流。ⅤT8和VT9组成镜像电流源，供给VT1、VT2的工作电流。必须指出，由输入的偏置本身构成反馈环，可减小零点漂移。ⅤT12和ⅤT13构成双端输出的镜像电流源，VT13是一个双集电极的PNP型三极管，可以看成两个三极管，它们的两个基→射结互为并联。一路输出VT13的集电极B，提供VT17的偏置电流，同时又作为中间放大级的有源负载；另一路输出为vT13的集电极A，提供了输出级的偏置电流。

③中间级。它是集成运放的主要电压放大级，采用带有源负载的共射或共基放大电路来挖提高电压增益，并将差分放大电路的双端输入转换成集成运放的单端输出。 F007集成运放这一级由ⅤT16和ⅤT17组成复合管共射极放大电路，其交流阻抗很大，所以这一级可以获得很高的电压放大倍数，与此同时它也具有较高输入电阻。

④输出级。它是用来提高电路的输出电流和功率，即带负载能力。 F007集成运放的输出级是由VT14和VT20组成的互补对称电路。为了使电路工作于甲乙类放大状态，利用VT18管集→射极两端电压Uce18接于VT14和VT20两管基极之间，给ⅤT14、VT20提供一起始偏置电压，同时利用VT19管（接成二极管）的Uee连接于VT18管的基极和集电极之间，形成负反馈偏置电路，从而使Uce18的值比较稳定。 这个偏置电路由VT13A组成的电流源供给恒定的工作电流，VT22管接成共集电极电路。减小对中间级的影响。 为了防止输入级信号过大或输出短路而造成的损坏，电路内备有过电流保护元件。当正向输出电流过大，流过VT14和R9的电流增大，将使R9两端的压降增加到足以使VT15管由截止状态进入导通状态，Uce15下降，从而限制VT14的电流。当负向输出电流过大时，流过VT20和R10的电流增加，使R10两端电压增大，使VT21由截止状态进入导通状态，同时VT23和VT24均导通，降低VT16及VT17的基极电压，使vT17的Uc17和VT22的Ue22上升，使vT20趋于截止状态，因而限制了VT20的电流，达到了保护的目的。 整个电路要求当输入信号为零时输出也应为零，在电路的输入级中，VT5、VT6管发射极两端还可以接一电位器RP，中间滑动触点接－Uee，从而来改变vT5、vT6的发射极电阻来保证集成运放静态时输出为零的要求。