截止失真放大电路_每周经典电路分析：一个经典实际运放的内部电路分析(1)

这两次推文中，将和大家一起分析、仿真和改进一个实际运算放大器的内部电路，此运放采用BJT晶体管工艺，虽然年代久远，其设计还是非常经典，下图其内部电路图：

该电路涉及的以下主要知识点：

镜像电流
差动放大
达林顿电路
互补发射级跟随器
米勒自举补偿
转换速率(SR)与增益带宽

.....

一、镜像电流电路的基本原理

理想BJT的集电极电流Ic与Vbe关系为

下图为BJT的基本电流镜电路：

对于(a)有：

根据基尔霍夫电流定律有：

对于芯片IC内所形成的电流镜像像的配对BJT，若发射极面积完全相同的话，则二者的饱和电流相同。可是，实际上各个发射极面积难免有些误差，所以饱和电流也有+/-1%到+/-10%的误差，从而，对于IC芯片而言，上图(a)的Q1与Q2的集电极电流也存有+/-1%到+/-10%的相对误差。这个误差太大了，其改进如上图(b)所示:

对于(b)有：

运放电路图中有三个电流镜：

Q6与Q10 Q6与Q5 Q3与Q4

假设稳压二极管D2的齐纳电压为5.6V，则：

Q6与Q5 镜像源：

当外部输入0电压时，

二、以镜像电流为负载的差动放大

输入差动放大电路简化如下图：

Ic1与Ic2的特性曲线如下：

在静态工作点附近具有最大的跨导gm，当差动信号达到+/-100mv,即4到5倍VT时，Ic1/Ic2一个几乎截止，另一个几乎饱和。

对Ic1做幂级数展开：

那么运放的输入阻抗是多少？第一级是差分对输入，且是共射结构：

三、达林顿电路

对于图中的Q9与Q11也可看成达林顿电路，因为R4>>Q11的输入阻抗Rin11=100*26/0.86=3k,其远远小于R4的50k,所以Q9的集电极变化电流基本全部流入Q11的基极，因而Q9与Q11组成达林顿电路，其

四、互补发射级跟随器

Q14/Q15构成互补发射级跟随器，跟随器的电压增益约为1，而输入阻抗约为

Q14/Q15构成二极管偏置电路，防止互补发射级跟随器的输出失真

五、整个电路的简化与小信号等效模型

下面是增益估算模型

低频增益

由上图可知低频增益为：

高频增益

由于中间级的输入级Q9是跟随器，输入阻抗很高，高频时C2电容的米勒自举效应使得C2在输入端的等效值很大，阻抗很低，所以变化电流主要流过C2，同时由于C2的在中间级输入端的等效电容大，高频时工作频率高，使得输入端交流电位趋于0，故C2两端电压即为中间级的输出电压：

高频时电压增益按-6db/倍频下降，其特征频率为:

八、C1电容对频率的影响

在低频时C1阻抗远大于R2的5k,Ic4/Ic2保持为1，而在高频时C1阻抗远小于R2的5k，此时Ic4/Ic2保持将不再为1：

九、转换速率与相位补偿关系

由前所述，当差动放大的输入信号较大时，比如大于+/-200mv，则差动放大器的对称两管子一个饱和一个截止，输出电流为方波电流：

注意：此关系只针对一阶主极点的运放成立，比如：

NJM4580:

以下是TI的运放，红色圈的基本满足以上关系：

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