一文详解集成运放MC4558的内部电路

一文详解集成运放MC4558的内部电路

MC4558是应用最为广泛的通用型8脚集成运放，常见封装形式为SOP8（贴片）和双列直插（DIP8）两种，如图1所示。

图1 MC4558两种常见封装类型

其内部包含两个相对独立单元电路，功能完全相同，如图2所示。

图2 MC4558内部功能框图

图3 MC4558内部两个相同的单元电路

图4 MC4558内部一个单元电路原理图

虽然MC4558内部电路比较复杂，但是按各部分电路的作用与功能可划分为4个模块，如图5所示。它们分别是是差分输入级、电压放大级、偏置电路和输出级。

图5 MC4558一个单元电路的功能框图

1）差分输入级

2）电压放大级

电压放大级的主要作用是提高电压增益，它可由一级或多级放大电路组成，集成运放的电压放大，主要是由这一级电路来实现。

3）输出级

输出级一般电压跟随器或互补电压跟随器构成，以降低输出电阻，提高带负载能力。

4）偏置电路

1．启动电路

2．镜像恒流源和微变恒流源

晶体管VT7与VT13的基极、发射极分别并联，因此二者构成镜像恒流源，它们再与VT5构成微变恒流源，所以VT5的集电极电流很小，一般是微安级。

3．差分输入级

4．比例恒流源

在共射放大器中，增大集电极电阻Rc能提高电压放大倍数。然而，为了维持晶体管的静态电流不变，在增大Rc的同时必须提高电源电压，但这在实际工程设计并不能随心所欲。在集成运放中，常用恒流源取代Rc，这样在电源电压不变的情况下，既可获得合适的静态电流，对于交流信号，又可得到很大的等效Rc。换句话说，恒流源具有较低的直流等效阻抗，同时又具有很大的交流阻抗，对抑制差分输入级的共模信号大有裨益。

由于晶体管是有源元件，由恒流源取代Rc作为负载称为有源负载（接在对差动对管的集电极，这是作为有源负载的重要特征），可以使单端输出的差动放大器差模放大倍数提高到接近双端输出时的情况。

比例恒流源由VT3、VT4（制造工艺保证它们特性相同）和R2、R3组成，为保证输入级的对称性，一般来要求R2=R3，此时Ic3≈Ic1，Ic4≈Ic2，则VT6的基极电流约等于0。

5．中间电压放大级

差动放大器的输出信号由VT2集电极引出，送到电压放大级的缓冲级VT6，VT6是射极跟随器，输入阻抗高、输出阻抗低，能增强对电压放大管的电流驱动能力，极大地提高了开环增益。静态时，VT2集电极电位是VT6与VT10的b-e结压降之和。R4为VT6设置静态电流，Ic6≈0.6V/R4。

6．输出电路

VT8和VT9组成2倍倍增电路，抵消输出管VT11和VT12发射结死区压降。由于R5与VT9发射结并联，故IR5=Ube9/R5，该电流约等于VT8的发射极电流。合理设置R5的阻值，就可以使VT8、VT9均处于放大状态。因VT8的b、c极并联，故晶体管当二极管使用，因此VT9的c-e极间电压Uce9相当于两只串联二极管的压降，完全可以抵消管VT11、VT12为发射结死区电压，消除交越失真。另外，它们都位于一块微小的半导体晶片上，传热效果良好，因此还具有温度补偿作用。

与MC4558功能相似的集成电路还有MC5532、TL082等。另外，还有4运放的器件，比如TL084、LM324等，它们是4个单元封装在一个芯片中。

与MC4558类似的另一个常见集成运放是LM358，其一个单元的内部原理如图6所示。

图6 LM358内部电路原理图

差动输入采用复合管Q1与Q2等效我PNP管，Q3与Q4等效为NPN管，采用复合管输入的好处是增大电路的输入阻抗，减小运放的输出电流，这样设计，使得它的输入端与外电路“几乎没有电流”联系，即输入端“续断”。

在该电路的下方，晶体管Q8与Q9组成镜像电流源，作为差动级的集电极有源负载，这种电路有利于差模信号的放大，同时又能较好的抑制共模噪声。

Q10与Q11组成两级电压跟随器，它们的功能与图4中VT6是一样的。

Q12是激励管，它负责整个IC的电压放大。

输出级上臂由Q5、Q6组成，二者结合等效为NPN管，负责输出正半波；输出级下臂是Q13，PNP管，负责输出负正半波。

因为LM358的输出信号线性度不好，容易出现失真，所以，它主要用于非线性应用的领域，比如组成比较器、检波器，或者对输出波形失真要求不高的场合。 责任编辑人：CC