1.2 集成运放的基本构成和表示符号

1.2.1 集成运放的基本构成

集成运放是以双端为输入，单端对地为输出的直接耦合型高增益放大器，是一种模拟集成电子器件。集成运放内部电路包括4个基本组成环节，分别为输入级、中间级、输出级和各级的偏置电路。对于高性能、高精度等特殊集成运放，还要增加有关部分的单元电路。如温度控制电路、温度补偿电路、内部补偿电路、过流或过热保护电路、限流电路、稳压电路等。如图1-2-1所示为集成运放内部电路方框图。由于三极管容易制造，且它在硅片上占的面积小，所以集成运放内部电路大量采用三极管代替其他元件，如用三极管代替二极管、用有源负载代替电阻负载等。由于三极管是在相同的工艺条件下同时制造的，同一硅片上的对管特性比较相近，易获得良好的对称特性，且在同一温度场，易获得良好的温度补偿，具有很好的温度稳定性。在集成电路中，各元件易于集成的顺序是：三极管、二极管、小的电阻、小的电容等，对于大的电阻或大的电容、电感等难以集成，可采用外接的方法。在集成电路中，不能直接集成电感元件，如在集成电路内部需要电感时，可用其他元件（如三极管、电阻、电容等）模拟出电感元件。

1.输入级

为了提高集成运放的输入电阻、减小失调电压和偏置电流、提高差模和共模输入电压范围等性能，集成运放的输入级的差动输入放大电路常采用超β管、达林顿复合管、串联互补复合管、场效应管等。为了获得较高的增益，减少内部电路的补偿要求，在差动输入放大级中，还采用有源负载或恒流源负载。输入级的保护电路也是不可缺少的。

2.中间级

集成运放的中间级常采用电平位移电路，将电平移动到地电平，其电路多采用恒流源、横向PNP管、稳压管、正向二极管链、电阻降压电路等。从双端变单端的变换，常采用并联电阻负反馈、有源负载、电流负反馈、PNP管等方法。为了提高共模抑制能力、提高差模增益和提供稳定的内部工作电流，实际电路中广泛采用各种恒流源电路，如稳压管恒流源、镜像恒流源、多集电极恒流源、场效应管恒流源等。

3.输出级

输出级应输出以零电平为中心、有一定大小电流的正负电压，并能与中间电压放大级和负载进行匹配，所以常采用各种形式的互补推挽输出放大电路。为保证得到大电流和高电压输出，输出级电路中还使用复合三极管结构形式和耐高压的共基-共射电路等。输出级设有保护电路，以保护输出级不致损坏。有些集成运放中还设有过热保护等。

4.偏置电路

偏置电路的作用是给各级电路提供所需的电源电压。集成运放中的偏置电路除了提供偏置的电路外，还包括诸如差动放大电路的发射极恒流源、共射放大器的有源负载及电平移动电路的有源负载和标准恒流源等。

1.2.2 通用型集成运放内部电路简介

下面以741型通用集成运放和＇14573CMOS程控四运放为例，简单介绍集成运放的构成原理。

1.74 1型通用集成运放简介

741型集成运放如F741，F007，5G24，μA741，AD741等，是第二代集成运放的典型代表。下面以μA741为例，简单介绍集成运放的构成原理。

（1）μA741集成运放内部电路图

如图1-2-2所示为μA741型通用集成运放的内部电路图。图中VT1～VT10和电阻R1～R4组成输入级。VT1，VT2（NPN管）和VT3，VT4（PNP管）组成互补差分输入放大级。VT1，VT2为共集电极组态，其β值很大，具有很小的基极偏置电流和高的差模输入电阻。VT3，VT4为横向PNP管，采用共基极组态，以改善输入频响特性。由于VT3和VT4基射结可耐受较大的反压，则可承受较大的差模输入电压。VT5～ VT7管和电阻R1～R3构成电流镜恒流源，它们是VT3，VT4集电极有源负载，并完成从双端输出到单端输出的转换，同时提高输入级的增益。VT5，VT6组成电流镜恒流源，再配合VT10恒流源，完成输入级共模电流负反馈，以稳定输入级工作电流，提高输入级共模抑制比和共模输入电阻。在共模输入电压作用或由于温升而使Ic3，Ic4增大时，电流负反馈的作用则是：通过Ic3，Ic4增大，使Ic8增大，根据电流镜的关系，Ic9也增大，而VT10为恒流源，则VT3，VT4的基极电流Ib3，Ib4必然同时减小，达到稳定工作点，提高共模特性。

VT16，VT17和它的有源负载VT13B组成中间放大级，同时完成电平移动。这一级具有较高的增益。为了运放闭环工作的稳定性，在VT16集电极和基极间接入30pF积分校正电容。VT11，VT12两个二极管和电阻R5为VT10，VT13A，VT13B的电流镜恒流源的偏置电路。

输出级由VT14，VT20和VT21及偏置电路、输出保护电路构成。VT14，VT20组成互补输出级，VT21为激励级。VT18，VT19两个二极管为VT14，VT20提供初始偏置电压，以减小交越失真。VT13A为VT21射极有源负载。为了避免输出级接地过载引起的损坏，由VT15和电阻R9构成正向电流过载保护电路。当VT14输出电流增大到使R9上的电压大于0.6V时，VT15导通，将分流VT14部分基极电流，使正向输出短路电流限制在0.6V/27Ω=22mA。负向输出电流保护电路由VT22，VT23，VT24和电阻R10构成。当电阻R10上电压超过0.6V时，VT24，VT23和VT22相继导通，分去VT16管的基极电流，限制了输出级VT20输出电流，使负向输出短路电流限制在0.6V/22Ω=27mA。

（2）F741型集成运放的性能特点

以F741为例，通用型F741集成运放是采用硅外延平面工艺制作的单片式高增益运放，它有很宽的输入共模电压范围，不会在使用中出现“阻塞”，在诸如积分电路、求和电路及通常的反馈放大电路中使用，都不需要补偿电容。

其特点是：①采用频率内补偿；②具有短路保护功能；③具有失调电压调整能力；④具有很高的输入差模电压和共模电压范围；⑤无阻塞现象；⑥功耗较低，电源电压适应范围较宽。

2.＇14573CMOS程控四运放简介

＇14573CMOS程控四运放如5G14573，MC14573等，是一种CMOS通用四运放。

（1）＇14573集成运放简化电路图

图1-2-3所示为＇14573CMOS集成四运放的简化电路图。

在图1-2-3中，第一级由差分电路、有源负载电路和偏置电路组成。P1，P2组成输入差分对，N1，N2是有源负载，P3，P4是电流源偏置电路，其基准电流由外接电阻RSET设定，基准电流一般为20～200μA。第二级由N3，P5组成，是放大级，也是输出级。N3是放大管，P3，P4和P5组成比例电流源，P5是N3的有源负载，同时也给N3提供直流偏置。此电路的优点是放大能力很强，缺点是输出电阻大，带载能力差。但这种电路一般所带负载多是同类CMOS电路，CMOS电路的输入电阻大，且多数CMOS集成运放主要用作LSI电路的片上电路，只需具有带几皮法的小电容负载的能力即可，有的输入端甚至无须引出外线，所以输入保护电路也无必要。

（2）＇14573CMOS程控四运放的性能特点

＇14573CMOS程控四运放具有以下特点：输入电阻大；差模输入电压范围大，一般为-0.5～VDD+0.5V；电源电压范围大，既可以单电源供电（3.0～15V），也可以双电源供电（±1.5～±7.5V），且正负电源可以不对称；具有良好的匹配和温度跟踪特性；电流源电路可以由外部程控；当恒流源有电流时，电路进入工作状态，改变偏置电流，可以改变运放参数，没有偏置时便处于截止状态。因为＇14573CMOS程控四运放具有以上特点，所以应用非常方便。

1.2.3 集成运放的表示符号及其引出端

1.集成运放的封装形式及引脚排列

集成运放的封装形式主要有两类：金属圆帽封装和双列直插封装。如图1-2-4所示为双列直插封装引脚排列图。双列直插器件的定位标志一般是在器件正表面上的一端设凹坑或标志点，引脚排列顺序是以顶视图，并按逆时针方向，从定位标志开始的第一引脚顺序排列。如图1-2-5所示为金属圆帽封装引脚排列图，金属圆帽封装是以圆帽边缘上的凸点作为定位标志的，一般以对准定位标志的引脚定为最大的引脚号。在早期产品中，有的对准引脚1或引脚1与最大脚间的空位。引脚排列以底视图顺时针方向顺序编号。

2.集成运放的表示符号及引出端

（1）集成运放的表示符号

如图1-2-6所示为集成运放的表示符号，集成运放通常采用图1-2-6所示的电路符号和相应的引出端来表示。

（2）集成运放的引出端

集成运放共有5类引出端。

输入端：即信号输入端，它有两个，通常用“+”表示同相端，用“-”表示反相端。

输出端：即放大信号的输出端，只有一个，通常为对地输出电压。

电源端：集成运放为有源器件，工作时必须外接电源。一般有两个电源端，对双电源的运放，其中一个为正电源端，另一个为负电源端；对单电源的运放，一端接正电源，另一端接地。

调零端：一般有两个引出端。将其接到电位器的两个外端，而电位器的中心调节端接正电源或负电源端。有些集成运放不设调零端，欲调零时需外设调零电路。

相位补偿（或校正）端：其引出端数目因型号而各异，一般为两个引出端，多者3～4个。有些型号的集成运放采用内部相位补偿的方法，所以不设外部相位补偿端。

（3）说明

集成运放的输入端、输出端、电源端在电路符号上标示的位置比较固定，如图1-2-6所示，而调零端、相位补偿端则不同，可在两斜边的任意位置标出。

为简化电路图，画原理图时，经常只标出两个输入端和一个输出端，而将电源端、调零端、相位补偿端略去。必要时可标出所需说明的引出端，如调零端等。

在用于施工的集成运放电路图中，必须将全部引出端和所连元件、连接方式完整地表示出来，并在相应的引出端标出器件引脚的编号，在其电路符号内标出集成运放的型号和编号。外接的元件也应标出其参数值（或型号）和编号。如图1-2-7所示为BG305用作反相放大器时的实际接线电路图。