整合運算放大器是可以進行運算的直流放大器，但開發它的主要目的是為了進行模擬計算。如果放大倍數為1，連1mhz左右的交流訊號也能處理。與用分立元件構成的電路相比，它具有穩定性好、電路計算容易、成本低等很多優點，因而被廣泛應用於許多領域。
那麼，這種整合運算放大器究竟是怎樣構成的呢？本章不打算從深層次角度去解答這一問題，而是從知道後會覺得方便些的想法來**它的內部構造。在用運算放大器組裝電路時，經常會碰到一些麻煩，這時，希望大家能參考本章介紹的關於運算放大器各個方面的注意事項。
7.1 運算放大器的內部構造
7.1.1 整合運算放大器的演變歷史
整合運算放大器是線性積體電路中最通用的一種。線性積體電路的使用範圍很廣，但要標準化比較困難。而整合運算放大器與整個線性積體電路相比，在使用範圍上相對較窄，因而標準化比較容易。
按照標準化要求，整合運算放大器中有相當大的一部分產品都是非原創品，甚至可以說使用的都是這些非原創品。整合運算放大器的第乙個實用產品μa702的內部電路如圖7.1所示。
這種整合運算放大器不使用pnp電晶體製作。該整合運放具有共模輸入電壓低、輸出振幅小、容易振盪等缺點。後來發表了改進這些缺點的μa709產品。
μa709的內部電路如圖7.2所示。μa709用得很廣泛，至今仍在使用。
但是，μa709有如表7.1所示的許多問題。
μa709推出大約3年後，發表了解決這些問題的運算放大器μa741。這個產品能進行輸出短路保護，消除了鎖死現象，可以在內部進行相位補償，失調補償可以簡單地通過在外部連線可變電阻來進行沒有輸出短路保護電路需要外接3個元件進行相位補償,轉換速率小， 僅為0.25v/μs,共模輸入電壓小， 僅為±10v,沒有用於失調補償的端子,差動輸入電壓小， 僅為±5v,常常發生鎖死現象.
就在同一時期，國家半導體公司發表了lm301產品。這個產品差不多與μa741具有相同的特性，但相位補償需要在外面連線乙個電容器，通過改變這個電容器的值來改變頻寬，也可以通過前饋相位補償的方法來擴充套件頻寬，因此有比μa741容易使用的地方。圖7.
3和圖7.4分別是μa741和lm301的內部電路圖。其他的運算放大器可以說大多數是以μa741為基礎，進行了高效能化（高精度、高輸入阻抗、寬頻帶、低漂移、小偏置電流、功率微型化、可程式設計）、複合化（雙重、四重）的改造。
此外，諾頓運算放大器（電流差動輸入運算放大器）也發表了幾種。將運算放大器設計成採用單電源而不是雙電源的產品也很多。以上談的是單片運算放大器，非單片混合運算放大器也發表了很多。
7.1.2 運算放大器電路的基本構成
晶元內製作線圈幾乎不可能，電容器也只能製作小容量（幾十皮法左右就達到了製作限度）的。所以，運算放大器也就是用電晶體和電阻構成的直接耦合放大器（直流放大器）。它的構成可用圖7.
5的方框圖來表示。
7.2 運算放大器輸入級電路
7.2.1 差動放大器
開發運算放大器的主要目的是為了模擬計算機的運算放大，電路採用直流耦合（如果從製造工藝的角度來考察線性積體電路的話，製作大容量的電容器很困難，電路不得不採用直流耦合，另外製作線圈也很困難）。這種直流耦合與電容器耦合（交流耦合）相比，不僅能直流放大，而且高頻特性也不壞，所以常常被模擬訊號系統中的自動控制部分所採用。直流耦合放大器（直流放大器）的輸入級採用差動放大電路。
圖7.6就是輸入級的基本電路。
（1） 差動放大器的工作原理
在圖7.6中，q1、q2的集電極與負載電阻相接，兩個發射極被連在一起後，與恆流源相接。q1、q2的發射極電流ie1+ie2=ie，而ie為恆流源。
於是，一方ie為ie與另一方ie之差，所以稱它為差動放大器。
輸入訊號加到in1和in2中，輸出vout可從out1、out2獲取。這時輸出與輸入之比稱為差動增益。在單端輸入情況下，輸入訊號加到in1或in2與地之間，不用的輸入端子與地相接。
如果這時將輸入端電晶體的集電極與地之間的電壓作為輸出，則與差動輸入相比，能獲得vout/2的輸出電壓。v1=v2=vc時的輸入稱為共模輸入，雜訊等就相當於這種輸入。儘管理論上共模輸入時集電極之間的輸出vout不會出現，但實際上各個集電極與地之間會有輸出出現。
假設在共模輸入情況下集電極和地之間的輸出電壓關係為vout1=vout2=vc0，則vco和vc之比稱為共模增益。運算放大器都盡量使共模增益變小。要想減小共模增益則應加大圖7.
6中恆流源的輸出電阻re。如果re採用電阻器，則電阻值不能做得很大，而採用恆流源可製作所需大小的re。
(2) 差動放大器的特徵
差動放大器與圖7.7的一般放大器相比，差動放大器使用的電晶體的數目要多幾個，但穩定非常好，在使用時可以不必擔心穩定係數，能進行直流放大，有很強的抑制共模輸入（雜訊）能力等，優點很多。但是，也存在著一些缺點，如電源需要兩個（若只是交流放大，單個也可以），電源的利用率低等。
圖7.7為電流放大，而差動放大器是電壓放大。由於差動放大器基極也需要有電流流入，所以輸入電阻不如使用fet等元件那麼大，但還是比單個電晶體放大器的輸入電阻大。
7.2.2 恆流源
為了使運算放大器輸入級電路（即差動放大器）的共模增益變小，必須使接在差動放大器發射極的電阻變大。但這樣做會使差動增益發生變化，所以一般用恆流源取代電阻。要製作穩定性好的差動放大器就必須要有穩定性好的恆流源。
圖7.8為恆流源的基本電路。通過r1、r2將恆定電壓加到差放的是電晶體基極上使其集電極電流恆定不變。
圖7.9是在運算放大器中使用的各種恆流電路。lm301等使用的恆流電路是利用映象效應來達到恆流效果的。
下面說明圖7.10的電流映象電路中io≈ib的原因。
ib=ib1+ib2+ic
由於兩個電晶體特性相同，所以
ib1=ib2=ib＇，hfe1=hfe2=hfe
ib=2ib＇+ic ic=hfe·ib＇
ib=2ib＇+hfe·ib＇
因此,io=hfe·ib＇←用ib＇替代ib1
所以,io=hfe·ib/(2+hfe)
若hfe》2,則io≈ib。
7.2.3 用電晶體製作的二極體
在整合運算放大器中，二極體多數情況是用來產生電平移動和偏壓。電路中並不直接採用二極體，而是將製作好的電晶體連線成二極體（這個與積體電路的製造工藝以及二極體正向壓降和電晶體vbe之間的關係等有關）。圖7.
11是用電晶體製作二極體的幾種連線方法。
7.3 中間級和輸出級電路
7.3.1 將差動輸出變成單端輸出
差動放大器的輸出是從兩個電晶體的集電極中獲得的，而下一級放大器如只有乙個輸入端，這之間究竟應該怎樣連線在一起呢？圖7.13是乙個雙端變單端的轉換電路。
無差動輸入時，tr2和tr3都有相同的集電極電流ic流入。假如有差動輸入，則tr2的集電極電流變成ic+△ic2，而tr3的集電極電流變成ic+△ic3。△ic2的變化將會引起tr2的集電極產生△v2的電壓變化。
然而tr2的vcb等於tr1的vbe，是乙個固定值，所以tr2的基極電位也會產生△v2的變化。tr3的基極電位也變化△v2，從而導致集電極電流由△v2產生的△ic2的變化。這樣就可以將△ic2-△ic3的變化量傳遞給單端輸入放大器。
這個電路也採用了電流鏡效應。圖7.14的虛線部分與圖7.
13電路相對應。
7.3.2 輸出電路
運算放大器的輸出電路要求輸出阻抗低（理想情況下為零），失真小，輸出電壓振幅大。
早期的運算放大器μa702採用的是如圖7.15所示的射極跟隨器，達到了輸出阻抗低的要求。但是這種電路不能產生很大振幅的輸出電壓。
後來μa709就變成了圖7.16所示的互補射極跟隨器。由於它工作在b類狀態會產生交叉失真，於是就通過用r15施加負反饋（nfb）來減少這種失真。
lm301、μa741等運算放大器採用的是圖7.17、圖7.18所示的二極體和電平移動電路構成的ab類工作的互補電路。
所以它們的輸出阻抗低，可以獲得失真小的大振幅電壓。
7.3.3 過量電流限制電路
當輸出端子的連線錯誤造成短路時，或者出現超出規格以上的輸出電流時，運算放大器會受到損壞。μa702、μa709沒有接入保護電路。但是近年來的運算放大器都已接入過量電流限制電路。
那麼過量電流限制電路究竟是乙個什麼樣的電路呢？圖7.19就是乙個過量電流限制電路，圖7.
20是它的原理圖。
在圖7.20中，隨著io的變大，rs兩端的壓降也會增加。當這個電壓超過tr2的vbe時，tr2開始工作。
ib中就會有一部分電流ic2流入tr2，使得tr1的基極電流減少，ic1即io也會減少。這就是過量電流的限制原理。這種原理不僅可以應用於運算放大器，而且也可以應用於穩壓電源的過量電流限制。
這種電流限制特性叫垂下特性（或稱限流特性），其他還有如圖7.21所示的減流特性過量電流限制電路。
7.4 選擇運算放大器的要點
7.4.1 關於運算放大器的選擇
在使用運算放大器時，除了什麼品種都無所謂的情況外，應必須對品種進行挑選。首先決定想要製作的電路，然後考慮電路的功能、所需的效能等，最後進入積體電路挑選階段。一般不要選擇比所需效能還要高的品種。
產品效能越高，成本也越高，使用時必須注意的事項也就越多。選擇通用且有很多非原創品的品種不僅成本低，而且也容易購到。那麼挑選要點究竟是什麼呢？
下面就幾個具有代表性的引數進行說明。
（1） 頻率與增益
看一下運算放大器的規格表，就會看到寫有開環電壓增益aol=200000倍（106db）等資料。只看這個資料就會覺得這是乙個具有很大電壓增益的放大器。但另一方面，規格表上畫有如圖7.
22所示頻率與開環電壓增益的曲線。由圖7.22可知，要保持增益很大，頻率需限定在10hz左右。
隨著頻率的增高，增益以1/10（-20db/10倍頻程）的比例下降。也就是說，增益很大是針對直流而言的。圖7.
23所示的運算放大器加反饋後閉環增益為40db（約100倍）。從圖7.22可看出，在40 db的範圍內可使用的頻率為10khz。
在10hz以上頻率每上公升10倍。增益就下降10倍，這是無反饋的情況。從圖7.
23可求得加反饋後閉環增益為40 db可使用的上限頻率是多少呢？由圖7.23可得反饋係數β=r1/（r1+r2）≈0.
01，從而得環路增益a=β·aol≈2000。根據圖7.22可以畫出這一環路增益變成了1倍（0 db），40 db可使用頻率上限為100hz。
這一點需要引起注意。下面說明符合使用要求的開環電壓增益aol的求解方法。按照fc規格表，假定直流閉環增益為y，在最大工作頻率之處的增益下降率為χ，那麼aol≥（y+1）（1-χ）/χ.
（2） 轉換速率
關於轉換速率前面已經說明過，這裡再重新概括一下。如果將運算放大器當作電壓跟隨器來輸入方形脈衝，則會有如圖7.25所示的輸出。
這當中輸出電壓產生的延遲量，即△v/△t(v/μs)被定義為轉換速率。表7.1所示；羅列了一部分通用運算放大器的轉換速率。
這裡必須注意的是，效能會因廠家的不同而不同。當閉環增益發生改變時轉換速率會發生大幅度的變化，還會隨電源電壓和溫度的變化而變化（溫度上公升，轉換速率趨於下降）。在採用外部補償的運算放大器中，通過外部補償的方法甚至可以得到比標準補償大20倍左右的轉換速率，所以要仔細檢視規格表。
圖7.26所示表示了正弦波通過不同轉換速率的放大器後得到的輸出波形。不難看出，轉換速率大的響應好。
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