從本質(zhì)上講，集成運(yùn)放是一種高性能直接耦合放大電路，雖然內(nèi)部結(jié)構(gòu)各不相同，但是它們的基本組成部分、結(jié)構(gòu)形式、組成原則基本一致，幾無例外的是輸入級(jí)均采用差動(dòng)放大器。

MC4558是應(yīng)用最為廣泛的通用型8腳集成運(yùn)放，常見封裝形式為SOP8（貼片）和雙列直插（DIP8）兩種，如圖1所示。

圖1 MC4558兩種常見封裝類型

其內(nèi)部包含兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立單元電路，功能完全相同，如圖2所示。

圖2 MC4558內(nèi)部功能框圖

在設(shè)計(jì)MC4558的相關(guān)電路時(shí)，由于涉及到與其它阻容等元件的連接，因此，為了便于原理分析，往往它的功能單元與其他阻容元件畫在一起，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況，可以單獨(dú)使用其中任何一個(gè)單元，或兩個(gè)單元同時(shí)使用。于是，電路設(shè)計(jì)軟件中就安排它為兩個(gè)獨(dú)立單元，如圖3所示。

圖3 MC4558內(nèi)部?jī)蓚€(gè)相同的單元電路

兩個(gè)單元電路分別稱為A單元和B單元，它們共用供電腳。內(nèi)部任一個(gè)運(yùn)放單元的詳細(xì)電路如圖4所示。8腳接正電源Ucc，4腳接負(fù)電源-UEE或地，它們?cè)?a target="_blank">IC在內(nèi)部共用。

圖4 MC4558內(nèi)部一個(gè)單元電路原理圖

雖然MC4558內(nèi)部電路比較復(fù)雜，但是按各部分電路的作用與功能可劃分為4個(gè)模塊，如圖5所示。它們分別是是差分輸入級(jí)、電壓放大級(jí)、偏置電路和輸出級(jí)。

圖5 MC4558一個(gè)單元電路的功能框圖

1）差分輸入級(jí)

一般是由晶體管（BJT）或結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFET）組成的差動(dòng)放大電路，利用它的對(duì)稱特性提高整個(gè)電路的共模抑制比和其他方面的性能。它的兩個(gè)輸入端分別標(biāo)示“+”、“-”符號(hào)，其中帶“+”號(hào)為同相輸入端，帶“-”號(hào)為反相輸入端。

2）電壓放大級(jí)

電壓放大級(jí)的主要作用是提高電壓增益，它可由一級(jí)或多級(jí)放大電路組成，集成運(yùn)放的電壓放大，主要是由這一級(jí)電路來實(shí)現(xiàn)。

3）輸出級(jí)

輸出級(jí)一般電壓跟隨器或互補(bǔ)電壓跟隨器構(gòu)成，以降低輸出電阻，提高帶負(fù)載能力。

4）偏置電路

偏置電路為各級(jí)提供合適的工作電流。此外還有一些輔助環(huán)節(jié)，如電平移動(dòng)電路，過載保護(hù)電路以及高頻補(bǔ)償電路等。下面對(duì)各部分具體電路逐一介紹。

1．啟動(dòng)電路

啟動(dòng)電路由N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管VT15和穩(wěn)壓二極管Z1組成。靜態(tài)時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管柵極電位為UEE（單電源供電時(shí)為0，雙電源供電時(shí)為負(fù)電壓）。若電源電壓足夠高，穩(wěn)壓管ZD1被擊穿，VT15依靠穩(wěn)壓管ZD1建立一個(gè)負(fù)的偏置電壓，VT15導(dǎo)通給VT14的基極提供偏置電壓，VT14的b-e結(jié)與ZD1和R9構(gòu)成恒流源，為輸入級(jí)和激勵(lì)級(jí)電路提供偏置電流。若電壓太低，ZD1不能被擊穿，恒流源不能正常工作，整個(gè)電路也不工作。恒流源的偏置電流為Ic14

2．鏡像恒流源和微變恒流源

晶體管VT7與VT13的基極、發(fā)射極分別并聯(lián)，因此二者構(gòu)成鏡像恒流源，它們?cè)倥cVT5構(gòu)成微變恒流源，所以VT5的集電極電流很小，一般是微安級(jí)。

3．差分輸入級(jí)

差分輸入級(jí)是雙端輸入、單端輸出，由VT1、VT2（制造工藝保證它們特性相同）和位于上側(cè)的微變電流源和位于下側(cè)的比例電流源一起構(gòu)成；其中，微變恒流源如差動(dòng)放大器長(zhǎng)長(zhǎng)的尾巴，工程上常稱之為微變恒流源長(zhǎng)尾式差分放大器。

4．比例恒流源

在共射放大器中，增大集電極電阻Rc能提高電壓放大倍數(shù)。然而，為了維持晶體管的靜態(tài)電流不變，在增大Rc的同時(shí)必須提高電源電壓，但這在實(shí)際工程設(shè)計(jì)并不能隨心所欲。在集成運(yùn)放中，常用恒流源取代Rc，這樣在電源電壓不變的情況下，既可獲得合適的靜態(tài)電流，對(duì)于交流信號(hào)，又可得到很大的等效Rc。換句話說，恒流源具有較低的直流等效阻抗，同時(shí)又具有很大的交流阻抗，對(duì)抑制差分輸入級(jí)的共模信號(hào)大有裨益。

由于晶體管是有源元件，由恒流源取代Rc作為負(fù)載稱為有源負(fù)載（接在對(duì)差動(dòng)對(duì)管的集電極，這是作為有源負(fù)載的重要特征），可以使單端輸出的差動(dòng)放大器差模放大倍數(shù)提高到接近雙端輸出時(shí)的情況。

比例恒流源由VT3、VT4（制造工藝保證它們特性相同）和R2、R3組成，為保證輸入級(jí)的對(duì)稱性，一般來要求R2=R3，此時(shí)Ic3≈Ic1，Ic4≈Ic2，則VT6的基極電流約等于0。

5．中間電壓放大級(jí)

差動(dòng)放大器的輸出信號(hào)由VT2集電極引出，送到電壓放大級(jí)的緩沖級(jí)VT6，VT6是射極跟隨器，輸入阻抗高、輸出阻抗低，能增強(qiáng)對(duì)電壓放大管的電流驅(qū)動(dòng)能力，極大地提高了開環(huán)增益。靜態(tài)時(shí)，VT2集電極電位是VT6與VT10的b-e結(jié)壓降之和。R4為VT6設(shè)置靜態(tài)電流，Ic6≈0.6V/R4。

6．輸出電路

VT8和VT9組成2倍倍增電路，抵消輸出管VT11和VT12發(fā)射結(jié)死區(qū)壓降。由于R5與VT9發(fā)射結(jié)并聯(lián)，故IR5=Ube9/R5，該電流約等于VT8的發(fā)射極電流。合理設(shè)置R5的阻值，就可以使VT8、VT9均處于放大狀態(tài)。因VT8的b、c極并聯(lián)，故晶體管當(dāng)二極管使用，因此VT9的c-e極間電壓Uce9相當(dāng)于兩只串聯(lián)二極管的壓降，完全可以抵消管VT11、VT12為發(fā)射結(jié)死區(qū)電壓，消除交越失真。另外，它們都位于一塊微小的半導(dǎo)體晶片上，傳熱效果良好，因此還具有溫度補(bǔ)償作用。

晶體管VT11、VT12為互補(bǔ)輸出管，發(fā)射極串聯(lián)的電阻R6、R7以及串接在輸出通路中電阻用于保護(hù)集成電路在意外情況下免遭損壞，R6～R8的取值范圍約為幾十至一百幾十歐姆。正因?yàn)檫@3只電阻的存在，限制了輸出電流不可能大，因此這種集成運(yùn)放多用于電壓放大器或比較器等小電流的場(chǎng)合。

電容C2為密勒電容，跨接于互為反相的信號(hào)兩端，用于高頻補(bǔ)償。在我的《音頻功率放大器設(shè)計(jì)》一書中，對(duì)于該電容作用與特性，有更詳細(xì)地介紹。

與MC4558功能相似的集成電路還有MC5532、TL082等。另外，還有4運(yùn)放的器件，比如TL084、LM324等，它們是4個(gè)單元封裝在一個(gè)芯片中。

與MC4558類似的另一個(gè)常見集成運(yùn)放是LM358，其一個(gè)單元的內(nèi)部原理如圖6所示。

圖6 LM358內(nèi)部電路原理圖

差動(dòng)輸入采用復(fù)合管Q1與Q2等效我PNP管，Q3與Q4等效為NPN管，采用復(fù)合管輸入的好處是增大電路的輸入阻抗，減小運(yùn)放的輸出電流，這樣設(shè)計(jì)，使得它的輸入端與外電路“幾乎沒有電流”聯(lián)系，即輸入端“續(xù)斷”。

在該電路的下方，晶體管Q8與Q9組成鏡像電流源，作為差動(dòng)級(jí)的集電極有源負(fù)載，這種電路有利于差模信號(hào)的放大，同時(shí)又能較好的抑制共模噪聲。

Q10與Q11組成兩級(jí)電壓跟隨器，它們的功能與圖4中VT6是一樣的。

Q12是激勵(lì)管，它負(fù)責(zé)整個(gè)IC的電壓放大。

輸出級(jí)上臂由Q5、Q6組成，二者結(jié)合等效為NPN管，負(fù)責(zé)輸出正半波；輸出級(jí)下臂是Q13，PNP管，負(fù)責(zé)輸出負(fù)正半波。

Q7是輸出正半波過載保護(hù)，當(dāng)正半波輸出且負(fù)載電流過大時(shí)，RSC壓降超過0.6V以上時(shí)，Q7導(dǎo)通、拉低Q5基極電壓，抑制正半波輸出幅度不能太大。

因?yàn)長(zhǎng)M358的輸出信號(hào)線性度不好，容易出現(xiàn)失真，所以，它主要用于非線性應(yīng)用的領(lǐng)域，比如組成比較器、檢波器，或者對(duì)輸出波形失真要求不高的場(chǎng)合。
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