运放内部结构
运算放大器的结构 运算放大器用差分放大器作输入级。运放的特性使它们在电子线路中很有用。运放有如下的特性：
1.抑制共模信号：有利于降低交流哼声和噪声。
2.高输入阻抗：容易与高阻抗信号源配合使用。
3.高增益：运放有很高的增益，使用时增益常常通过负反馈减少。
4.输出阻抗低：能向一个低阻抗的负载输出大的信号电流。
单级放大器不可能具备以上全部优良的性能。实际上运算放大器是几级放大器的结合。如图13－11所示，多级电路中的第一级是差分放大器。差分放大器有高共模抑制比和高输入阻抗。有些运算放大器为了得到更高的输入阻抗在第一级用了场效应管。具有BJT和FET两种器件结合的运算放大器称之为BIFET运算放大器。
图13－11的第二级也是差分放大器，使第一级以差动方式输出，得到最好的共模抑制性能和差动电压增益。
图13－11的第三级是共集电极电路，或射极跟随器，这种组态输出阻抗低。注意输出是信号的终端，可以不用差动输出，而用单端输出。在很多电子学的应用中只要求单端输出。
图13－11中注明，一个输入端是同相输入端，另一个输入端是反相输入端。同相输入端指由该端输入信号与输出端同相。反相输入端指输入信号与输出端信号相差180°。
图13－12用简化的方法显示了放大特性。注意三角形，在电路原理图中常用三角形表示放大器。同时要注意反相输入端用（－）号标明，同相端用（＋）标明，这是通常的习惯。
图13－13是国产通用集成运放F007的内部电路原理图，国外同类器件有μA741、LM741等。该器件有一个同相输入端、一个反相输入端和一个单端输出端。T1、T2、T3、T4组成差分输入级；T5、T6是恒流源；TI6、T17是电压放大级、T18、T19、T23、T14、T20组成互补输出功率放大器；T15、T21、R6、R7组成输出过流保护电路，它的工作原理我们将在十五章讨论；其他晶体管和电阻组成恒流源与偏置电路；Cφ是内部频率补偿电容。T5、T6还有两个补偿端点，这两个端点是用于对直流漂移误差进行校正。不可能生产出完全匹配的三极管和电阻的放大器，总有些偏差。在没有差动直流输入时，理想运算放大器的输出应是零伏,任何偏离电压称作直流失调误差。
图13－14显示了一个典型的调零应用电路。图13－14中同相端与反相端同时接地表示输入应同时为零，此时调节电位器使输出端直流电位处在地电位。电位器调节范围有限，设计调零电路以克服内部偏移量，它在毫伏范围。它不是用于当外电路有一个大的直流差动输入信号时输出调零。在很多应用中，较小的失调量没有问题，不用调零。
多数的运放是集成的，我们看不到集成电路内部有什么，也不便于进行测量。使用时没有必要显示详细内部原理图。图13－15是表示运算放大器的两种典型方法，三角形都代表放大器，本书用图（b）表示运算放大器。在某些图中也画出电源端和失调补偿端。
有很多种可以利用的集成运算放大器。有些用双极型的晶体三极管，有些用双极型与场效应管的结合。专用的运算放大器在某些方面有增强的特性。例如输入阻抗、高频的性能。在这里不可能列出它们所有的特性。下面列出F007（LM741C）集成运放的一些常用特性。
电压增益：200000（106dB）
输出阻抗：75Ω
输入阻抗：2MΩ
共模抑制比：90dB
失调量调节范围：15mV
电压输出范围：±13V
小信号的带宽：1MHz
转换速率：0.5V/μs
13．3．2转换速率与功率带宽
上述最后一个特性是转换速率。它是运放输出电压变化的最大速率。图13－16显示了输入阶跃电压时发生的现象，由于输入信号变化太快，受运放内部RC时间常数的限制，输出端不能跟随输入电压变化。转换速率是在给定的时间内输出电压改变的伏特数即SR=Δu/Δt。对运算放大器，转换速率的时间单位常用微秒。有些运放的转换速率是0.04V/μs，另外一些是70V/μs,有些运放采用了不同电路原理和特殊制造工艺其转换速率达到很高的值，如AD9610，它的SR=3500V/μs，CLC220，它的SR=7000V/μs。
在高频工作时，转换速率是一个重要因素。某些运放不能快速转换以重现输入信号。图13－17显示了一个转换速率失真的例子。
当集成运放输出电压为不失真电压，即uo(t)=Vpsinωt，uo(t)随时间的最大变化率是：
其意义如图13－17（a），正弦波在过零点电压有最大的变化速率，为了使输出信号不失真，电压最大的变化率不能大于运放的转换速率。这样我们可知转换速率对最高工作频率的限制。
ωmaxVp≤SR或者fmax≤ SR /6.28×Vp，这里的SR是转换速率，单位是V/μs，Vp是输出电压的峰值，单位是V。
注意图13－17（b），输入信号是正弦波而输出信号是三角形，直线的斜率代表转换速率SR。对于一个线性放大器，输出的信号应该与输入信号有同样形状。任何偏离被称作失真。
除引起失真以外，转换率还可能阻止运算放大器产生最大的输出电压摆幅。大信号比小信号受更多的限制。决定因素是信号频率，输出信号幅度，和运放转换速率。
运放的功率带宽
象LM741C通用运算放大器在15V电源时能够产生13V的最大峰值的输出信号。如果它的转换速率是 0.5 V/μs，让我们看一下正弦波的最大频率是多少？
6.12kHz被称作运放的功率带宽。如果正弦输入信号频率明显大于6.12kHz，而且输入信号幅值大得足以驱动输出信号到13V。将有两件事情发生，（1）输出信号出现失真；如图13－17（b）所示（2）输出振幅的峰值将比13V小。
例13－4
计算高速运放AD9610的功率带宽，它的SR=3500V/μS，假定运放输出信号峰峰值是20V。已知转换速率是3500V/μS，峰值是峰峰值的一半，应用公式：
55.73MHz的功率带宽是很宽的，这种运放常用于放大视频信号等高频、高速信号。
表13-1运放性能示例：
器件
特点
Au/dB
Zin,Ω
CMRR,dB
带宽
MHz
转换率
V/μs
TL070
BIFET低噪声
106
1012
86
3
13
TL080
BTFET低功率
106
1012
86
3
13
TLC277
CMOS
92
1012
88
2.3
4.5
LM308
高性能
110
40×106
100
1
0.3
LM318
高性能
106
3×106
100
15
70
LM741C
通用
106
2×106
90
1
0.5
TLC27L7
CMOS低电压
114
1012
88
0.1
0.04
典型运放如LM741C的小信号的带宽是1MHz，大信号或高频信号将受翻转率的限制。
运算放大器功率带宽比它的小信号带宽小。表13－1列出几种运放和它们的技术规格。