運算放大器用差分放大器作輸入級。運放的特性使它們在電子線路中很有用。運放有如下的特性:
1.抑制共模信號:有利于降低交流哼聲和噪聲。
2.高輸入阻抗:容易與高阻抗信號源配合使用。
3.高增益:運放有很高的增益,使用時增益常常通過負反饋減少。
4.輸出阻抗低:能向一個低阻抗的負載輸出大的信號電流。
單級放大器不可能具備以上全部優良的性能。實際上運算放大器是幾級放大器的結合。如圖13-11所示,多級電路中的第一級是差分放大器。差分放大器有高共模抑制比和高輸入阻抗。有些運算放大器為了得到更高的輸入阻抗在第一級用了場效應管。具有BJT和FET兩種器件結合的運算放大器稱之為BIFET運算放大器。
圖13-11的第二級也是差分放大器,使第一級以差動方式輸出,得到最好的共模抑制性能和差動電壓增益。
圖13-11的第三級是共集電極電路,或射極跟隨器,這種組態輸出阻抗低。注意輸出是信號的終端,可以不用差動輸出,而用單端輸出。在很多電子學的應用中只要求單端輸出。
圖13-11中注明,一個輸入端是同相輸入端,另一個輸入端是反相輸入端。同相輸入端指由該端輸入信號與輸出端同相。反相輸入端指輸入信號與輸出端信號相差180°。
圖13-12用簡化的方法顯示了放大特性。注意三角形,在電路原理圖中常用三角形表示放大器。同時要注意反相輸入端用(-)號標明,同相端用(+)標明,這是通常的習慣。
圖13-13是國產通用集成運放F007的內部電路原理圖,國外同類器件有μA741、LM741等。該器件有一個同相輸入端、一個反相輸入端和一個單端輸出端 。T1、T2、T3、T4組成差分輸入級;T5、T6是恒流源;TI6、T17是電壓放大級、T18、T19、T23、T14、T20組成互補輸出功率放大器;T15、T21、R6、R7組成輸出過流保護電路,它的工作原理我們將在十五章討論;其他晶體管和電阻組成恒流源與偏置電路;Cφ是內部頻率補償電容。T5、T6還有兩個補償端點,這兩個端點是用于對直流漂移誤差進行校正。不可能生產出完全匹配的三極管和電阻的放大器,總有些偏差。在沒有差動直流輸入時,理想運算放大器的輸出應是零伏,任何偏離電壓稱作直流失調誤差。
圖13-14顯示了一個典型的調零應用電路。圖13-14中同相端與反相端同時接地表示輸入應同時為零,此時調節電位器使輸出端直流電位處在地電位。電位器調節范圍有限,設計調零電路以克服內部偏移量,它在毫伏范圍。它不是用于當外電路有一個大的直流差動輸入信號時輸出調零。在很多應用中,較小的失調量沒有問題,不用調零。
多數的運放是集成的,我們看不到集成電路內部有什么,也不便于進行測量。使用時沒有必要顯示詳細內部原理圖。圖13-15是表示運算放大器的兩種典型方法,三角形都代表放大器,本書用圖(b)表示運算放大器。在某些圖中也畫出電源端和失調補償端。
有很多種可以利用的集成運算放大器。有些用雙極型的晶體三極管,有些用雙極型與場效應管的結合。專用的運算放大器在某些方面有增強的特性。例如輸入阻抗、高頻的性能。在這里不可能列出它們所有的特性。下面列出F007(LM741C)集成運放的一些常用特性。
電壓增益:200000(106dB)
輸出阻抗:75Ω
輸入阻抗:2MΩ
共模抑制比:90dB
失調量調節范圍:15mV
電壓輸出范圍:±13V
小信號的帶寬:1MHz
轉換速率:0.5V/μs