第三版童诗白第四章 集成运算放大电路
4.1 集成运算放大电路概述
4.2 集成运放中的电流源电路
4.3 集成运放电路简介
4.5 集成运放的种类及选择
4.4 集成运放的指标及低频等效电路
4.6 集成运放大的使用第三版童诗白本章重点和考点：
1.集成电路的特点。
2.偏置电路（电流源）的作用、分类及计算。
3.理想集成运算放大电路（ IC） 的性能指标。
第三版童诗白本章讨论的问题：
1.什么是集成运算放大电路？将分立元件直接耦合放大电路做在一个硅片上就是集成运放吗？集成运放电路结构有什么特点？
2.集成运放由哪几部分组成？各部分的作用是什么？
3.如何设置集成运放中各级放大电路的静态工作点？
4.集成运放的电压传输特性有什么特点？
5.如何评价集成运放的性能？有哪些主要指标？
6.集成运放有哪些类型？如何选择？使用时应注意哪些问题？
4.1 集成运算放大电路概述集成电路简称 IC (Integrated Circuit)
集成电路按其功能分数字集成电路模拟集成电路模拟集成电路类型集成运算放大器； 集成功率放大器；
集成高频放大器 ；集成中频放大器 ；
集成比较器 ；集成乘法器； 集成稳压器 ；集成数 /模或模 /数转换器等。
集成电路的外形集成电路的外形
(a)双列直插式 (b)圆壳式 (c)扁平式
4.1.1 集成运放的电路结构特点一,对称性好，适用于构成差分放大电路。
二,集成电路中电阻,其阻值范围一般在几十欧到几十千欧之间,如需高阻值电阻时,要在电路上另想办法 。
三,在芯片上制作三极管比较方便,常常用三极管代替 电阻 (特别是大电阻 )。
四,在芯片上制作比较大的电容和电感非常困难,
电路通常采用直接耦合电路方式 。
五,集成电路中的 NPN,PNP管的? 值差别较大,
通常 PNP的? ≤ 10 。 常采用复合管的形式 。
一、输入级 差分电路，大大减少温漂。
二、中间级 采用 有源负载的共发射极电路，增益大。
三、输出级 互补对称 电路，带负载能力强四、偏置电路 电流源电路，为各级提供合适的静态工作点。
输入级偏置电路中间级 输出级+? u
o
uid
4.1.2 集成运放电路的组成及其各部分的作用实质上是一个具有高放大倍数的多级直接耦合放大电路 。
图 4.1.1 集成运算的基本组成
4.1.3 集成运放的电压传输特性图 4.1.2 集成运放的符号和电压传输特性
uO= f(uP-uN)
+ AoduP
uN uO
uO
uP-uN
集成运放的两个输入端分别为同相输入端 uP和反向输入端 uN。
电压传输特性输出电压与其两个输入端的电压之间存在线性放大关系,即
)(odO NP uuAu
集成运放的工作区域线性区域：
Aod为差模开环放大倍数非线性区域：
输出电压只有两种可能的情况,+UOM或 -UOM
UOM为输出电压的饱和电压。
uO
uP-uN
+UOM
-UOM
4.2 集成运放中的电流源电路集成运放电路中的晶体管和场效应管除了作为放大管外，还构成 电流源电路,为各级提供合适的静态电流 ;
或作为 有源负载 取代高阻值电阻,从而增大放大电路的电压放大倍数。
4.2.1 基本电流源电路一、镜像电流源 (电流镜 Current Mirror)
+VCC
R IREF
+ +T1 T2
IC2
IB1 IB2
2IB
IC1
UBE1 UBE2
R
UVI 1BECC
R E F
基准电流由于 UBE1 = UBE2,T1与
T2 参数基本相同,则
IB1 = IB2 = IB； IC1 = IC2 = IC
C2
R E FBR E F1C2C 22
IIIIII
所以
2
1
1
R E F2C
II
当满足? >> 2 时，则
R
UVII 1BECC
R E F2C
图 4.2.1
+VCC
R IREF
+ +T1 T2
IC2
IB1 IB2
2IB
IC1
UBE1 UBE2
二、比例电流源
R1 R2
由图可得
UBE1 + IE1R1 = UBE2 + IE2R2
由于 UBE1? UBE2,则
22E11E RIRI?
忽略基极电流，可得
R EF
2
1
1C
2
1
2C IR
RI
R
RI
两个三极管的集电极电流之比近似与发射极电阻的阻值成反比,故称为比例电流源 。
图 4.2.2 比例电流源三、微电流源在镜像电流源的基础上接入电阻 Re。
+VCC
R IREF
T1 T2
IC22I
BI
C1
Re
引入 Re使 UBE2 < UBE1，
且 IC2 << IC1,即在 Re 值不大的情况下,得到一个比较小的输出电流 IC2 。
图 4.2.3 微电流源
+VCC
R IREF
T1 T2
IC22I
BI
C1
Re
基本关系
e2Ce2E2BE1BE RIRIUU
因二极管方程
TT U
U
U
U
III
BEBE
ee SSC )1(
eC
S
C
S
C
BEBE
RI
I
I
I
I
UUU T
2
2
2
1
1
21 )ln( l n
2S1S II?
e2C
2C
1C
T ln RII
IU?
若 IC1和 IC2 已知，可求出 Re。
图 4.2.3 微电流源
E
E2E1
复习：
1.集成运放的电路结构特点？
2.集成运放的组成部分？
输入级常用什么结构？
输出级常用什么结构？
3.集成运放的二个工作区域？各自特点？
4.2.2 改进型电流源电路问题：基本电流源电路在?很小时,IR和 IC2
相差很大。
为了减小基极电流的影响，提高输出电流与基准电流的传输精度，稳定输出电流，可对基本电流源电路进行改进。
一、加射极输出器的电流源
R
IC2
VCC
T3
T2T1
Re3
IC1
IREF IB
由于增加了 T3,使 IC2更加接近 IREF（ 如何证明 ）
缺点,1,受电源波动影响大；
2.电流最低至 mA级。
IC2=IC1=IREF-IB3
=IREF-IE3/(β +1)
R E F
R E F
C
C
R E F
B
I
I
I
I
I
I
I
)1(
1
1
)1(
2
1
2
2
22
R E F
如 β＝ 10 IC2=0.982 IREF
增加电阻 Re2 目的是使 IE3增大。
图 4.2.4加射极输出器的电流源
R
IC2
VCC
T3
T2T1
IC1
IREF IB3
Re2
二、威尔逊电流源
T1管的 c--e串联在 T2管的发射极，其作用与典型的工作点稳定电路中的 Re相同。
图 4.2.5 威尔逊电流源
RR22C II22
21I?
）＝（
公式推导（略）
当 β＝ 10 IC2=0.984 IR
可见，在 β很小时，也可认为 IC2= IR 。 IC2受基极电流影响很小。
RIR IC2
+VCC
IC0 IC
问题,IR如何计算？
4.2.3 多路电流源电路图公式推导
IC= IE ＝ IREF - ∑ IB/(β+1)
当 β较大时 IC=IREF
由于各管的 β,UBE相同，
IERE≈IREFRE=IE1RE1
=IE2RE2=IE3RE3
IC2≈IE2=IREFRE/RE2
IC3≈IE3=IREFRE/RE3
IC1≈IE1=IREFRE/RE1
所以
T1
IC1 IC2 IC3
Re1 Re2 Re3
T2 T3
IC
T
∑IB
R
IREF
VCC
T0
ReIE
图 4.2.6基于图 4.24的多路电流源二、威尔逊电流源
T1管的 c--e串联在 T2管的发射极，其作用与典型的工作点稳定电路中的 Re相同。
图 4.2.5 威尔逊电流源
RR22C II22
21I?
）＝（
公式推导（略）
当 β＝ 10 IC2=0.984 IR
可见，在 β很小时，也可认为 IC2= IR 。 IC2受基极电流影响很小。
RIR IC2
+VCC
IC0 IC
问题,IR如何计算？
多集电极管构成的多路电流源图 4.2.7 多集电极管构成的多路电流源当基极电流一定时，集电极电流之比等于它们的集电区面积之比。
MOS管多路电流源图 4.2.8 MOS管多路电流源设沟道宽长比 W/L＝ S
漏极电流之比正比于沟道的宽长比。
例 4.2.1 图 4.2.9所示电路是 F007的电流源部分。
其中 T10与 T11为 纵向 NPN管； T12与 T13是 横向 PNP
管，它们的 β为 5,b-e间电压值约为 0.7V,试求各管的集电极电流。
图 4.2.9 F007中的电流源电路解
5
11BE12BECCCC
R EF R
UUVVI
≈0.73mA
410C
10
T ln RII
IU
C
R?
IC10≈28uA
2R12C13C
III ≈0.52mA
4.2.4 以电流源为有源负载的放大电路在集成运放中，常用电流源电路取代 RC或
Rd,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，又可获得很大的等效 RC或 Rd的。
晶体管和场效应管是有源元件，又可作为负载，故称为有源负载。
一、有源负载共射放大电路
1.电路图 2.静态分析（求参考电流，略）
3.动态分析?
UA?
b e 1b
Lce2ce11 )////(
rR
Rrr
T
Rb1
Rb2rce2
beb
L1
rR
R
UA?
二、有源负载差分放大电路利用镜像电流源 可以使 单端输出 差分放大电路的差模放大倍数提高到接近 双端输出 的情况。
2.静态分析
1.电路图
3.动态分析放大电路采用 差分输入,
单端输出 ；工作电流由恒流源 I 决定；输出电流
io =?ic4ic2 = 2?ic4
Rc
T1 T2
Rc
+uo
R R
uI
uI2
+VC
C
VEE
IR
+
图 4.2.11 有源负载差分放大电路
4.3 集成运放电路简介典型的集成运放 双极型集成运放 F007CMOS 集成运放 C14573
一、引脚
4.3.1 双极型集成运放 F007
F007 的引脚及连接示意图
(a) (b)
连接示意图
1 2 3 4
8 7 6 5
二、电路原理图图 4.3.1 F007 电路原理图
1,偏置电路 +VCC
T8
VCC
T9 T12 T13
T10 T11
R4
R5I8 I3,4
IC9
IC10 IREF
IC13
至输入级 至中间级5
11BE12BEEECCR EF
R
UUVVI
基准电流：
基准电流产生各放大级所需的偏置电流。
各路偏置电流的关系：
IREF I
11 IC10
I3,4
IC9 IC8
IC12 IC13
微电流源 镜像电流源 输入级镜像电流源 中间级输出级图 4.3.1-1 F007 的偏置电路
2,输入级
T1,T2,T3,T4 组成共集 - 共基差分放大电路；
T1,T2 基极接收差分输入信号。
T5,T6 有源负载；
T4 集电极送出单端输出信号至中间级 。
uOR
W 调零电阻,R
外接电阻 。
T7 与 R2 组成射极输出器 。
+VCC
VEE
T6
R1
I3,4
IC10
IC9
R2 R3
RR
W
T4
T2
T7
T5
T3
T1
T8 T9
图 4,3,1-2
uI2uI1
若暂不考虑 T7 和调零电路则电路可简化为,+V
CC
VEE
I3,4
T4
T2
T3
T1
I8
RC RC
uI1 uI2
uO
(1),T1,T2 共集组态,具有较高的差模输入电阻和共模输入电压 。
(2),共基组态的 T3,T4,与有源负载 T5,T6 组合,可以得到很高的电压放大倍数 。
(3),T3,T4 共基接法能改善频率响应 。
(4),该电路具有共模负反馈,能减小温漂,提高共模抑制比 。
图 4.3.1.2
简化示意图
3,中间级图 4.3.1-3 中间级示意图
+VCC
VEE
T15
T16
IC13
R7
T17
R830pF
输入来自 T4 和 T6集电极；
输出接在输出级的两个互补对称放大管的基极 。
中间级 T16,T17 组成复合管,T13 作为其有源负载 。
8,9 两 端 外 接 30pF
校正电容防止产生自激振荡 。
4,输出级
IC13
R8
uo
+VCC
VEE
T14
uI
D1
R9
R10
T19T
18
R7
T15 D
2
图 4.3.1-4 F007 输出级原理电路
T14,T18,T19 准互补对称电路；
D1,D2,R9,R10
过载保护电路；
T15,R7,R8 为功率管提供静态基流。
V7.0)1(
8
7
B E 1 5
8
87
C E 1 5
R
RU
R
RRU
调节 R7,R8 阻值可调节两个功率管之间的电压差。
这种电路称为 UBE 倍增电路。
4.3.2.单极型集成运放
T2
+vDD
-vss
ui1 u
i2
vGS3 vGS4u
oD1 uoD2
vGS1 v
GS2
T3
T1
T4
iD3 iD4
iD1 iD2
IRE
F T
REF
T5
T6 T
7
ID5
ID6 I
0
vGS7vGS6
vGS5
vGSR
一、电路结构双入双出差分式放大电路耗尽型 NMOSFET对管 T1,T2
有源负载增强型 NMOSFET对管 T3 T4
偏置电路
TREF,T5,T6 T7组成。
二、工作原理电路的基准电流 IREF＝ ID5＝ ID6＝ I0
静态分析 ID1＝ ID2＝ I0/2 输出电压 UoQ＝ UoD1Q- UoD2Q ＝ 0
动态分析 uo＝ uoD1- uoD2
差模电压增益 AVD＝ uo / uid＝ - gm (rds1// rds3),
4.4 集成运放的性能指标及低频等效电路一、开环差模电压增益 Aod
一般用对数表示，定义为
UU UA ΔΔ Δlg20
-
O
od
单位：分贝理想情况 Aod 为无穷大； 实际情况 Aod 为 100 ~ 140 dB。
4.4.1集成运放的主要性能指标二、输入失调电压 UIO
三、输入失调电压温漂?UIO
定义,为了使输出电压为零,在输入端所需要加的补偿电压 。
一般运放,UIO 为 1 ~ 10 mV；
高质量运放,UIO 为 1 mV 以下。
定义：
T
U
U d
d IO
IO
一般运放为 每度 10 ~ 20?V；
高质量运放低于每度 0.5?V 以下 ；
四、输入失调电流 IIO
五、输入失调电流温漂?IIO
当输出电压等于零时,两个输入端偏置电流之差,即定义：
B2B1IO III
一般运放为 几十 ~ 一百纳安；高质量的低于 1 nA。
定义：
T
I
I d
d IO
IO
一般运放为 每度几纳安；高质量的每度几十皮安。
六、输入偏置电流 IIB
七、差模输入电阻 rid
八、共模抑制比 KCMR
定义,输出电压等于零时,两个输入端偏置电流的平均值 。
)(21 B2B1IB III
定义：
Id
Id
id Δ
Δ
I
Ur?
一般集成运放为几兆欧。
定义：
oc
od
C M R lg20 A
AK?
多数集成运放在 80 dB 以上，高质量的可达 160 dB。
九、最大共模输入电压 UIcm
输入端所能承受的最大共模电压。
十、最大差模输入电压 UIdm
反相输入端与同相输入端之间能够承受的最大电压。
十一,? 3 dB带宽 fH
表示 Aod 下降 3 dB 时的频率 。 一般集成运放 fH 只有几赫至几千赫 。
十二,单位增益带宽 fc
Aod 降至 0 dB 时的频率,此时开环差模电压放大倍数等于 1 。
十三,转换速率 SR
额定负载条件下,输入一个大幅度的阶跃信号时,
输出电压的最大变化率 。 单位为 V /?s 。
在实际工作中,输入信号的变化率一般不要大于集成运放的 SR 值 。
其他技术指标还有：最大输出电压,静态功耗及输出电阻等 。
4.4.2 集成运放的低频等效电路考虑各种失调因素时等效电路图不考虑各种失调因素的电路图
4.5 集成运放的种类及选择
4.5.1 集成运放的发展概况
4.5.2 集成运放的种类一、按工作原理分类
1.电压放大型 F007,F324
2.电流放大型 LM3900,F1900
3.跨导型 LM3080,F3080
4.互阻型 AD8009,AD8011
二、按可控性分类
1.可变增益运放
2.选通运放
1.高精度型性能特点,漂移和噪声很低,开环增益和共模抑制比很高,误差小 。 （ F5037）
2.低功耗型性能特点,静态功耗一般比通用型低 1 ~ 2 个数量级 (不超过毫瓦级 ),要求电压很低,
有较高的开环差模增益和共模抑制比 。
（ TLC2552）
三、按性能指标分类
3.高阻型性能特点,通常利用场效应管组成差分输入级,输入电阻高达 1012?。
高阻型运放可用在测量放大器,采样 -保持电路,带通滤波器,模拟调节器以及某些信号源内阻很高的电路中 。 （ F3130）
4.高速型大信号工作状态下具有优良的频率特性,
转换速率可达每微秒几十至几百伏,甚至高达 1 000 V/?s,单位增益带宽可达 10
MHz,甚至几百兆欧 。
性能特点：
常用在 A / D 和 D / A 转换器,有源滤波器,高速采样 -保持电路,模拟乘法器和精度比较器等电路中 。 （ F3554）
5.高压型性能特点,输出电压动态范围大，电源电压高，
功耗大。
6.大功率型性能特点,可提供较高的输出电压较大的输出电流,负载上可得到较大的输出功率 。
4.5.3 运放的选择 （略）
4.6 集成运放的使用一、集成运放的外引线（管脚）
二、使用中可能出现的异常现象
1,不能调零调零电位器故障；
电路接线有误或有虚焊；
反馈极性接错或负反馈开环；
集成运放内部损坏；
重新接通即可恢复为输入信号过大而造成,堵塞,现象原因
4.6.1 使用时必做的工作
2,漂移现象严重存在虚焊点运放产生自激振荡或受强电磁场干扰集成运放靠近发热元件输入回路二极管受光照射调零电位器滑动端接触不良集成运放本身损坏或质量不合格原因
3,产生自激振荡消振措施按规定部位和参数接入校正网络防止反馈极性接错避免负反馈过强合理安排接线，防止杂散电容过大
4.6.2 保护措施一、输入保护
(a)防止输入差模信号幅值过大
(b)防止输入共模信号幅值过大
+V
+
A
R1
D1
D2
RF
R
V
uO
uI 保护元件保护元件
uO
+
A
R1
RF
D1
D2uI
保护元件图 4.6.1 输入保护措施二,电源极性错接保护保护元件,D1,D2
三,输出端错接保护保护元件：稳压管 DZ1,DZ2
+
A
D1
D2
+
A
R1
DZ1
DZ2
RF
uO
uI
R?
图 4.6.2 利用稳压管保护运放图 4.6.3 电源接错保护四、输出限流保护
+
A
T1
T2
-VEER2
R3
R4
R1
T4
R5
T3
+VCC
C1
C1
C2
保护元件,T1,T2
(b)保护管工作特性正常工作时工作点在 A；
工作电流过大，工作点经
B移到 C 或 D 点。
(a)电 路 图
B
C D
A
IC
UCEO
图 输出限流保护
4.6.3 输出电压与输出电流的扩展一、提高输出电压采用在运放输出端再接一级由较高电压电源供电的电路，
来输出电压幅值。
+
uN
uP
A
图 4.6.4提高输出电压的电路
uO
+VC
C
(+30V)
-VCC
(-30V)
T1
T2
R1
R2
R3
R4
b1
b2
e1
e2
二、增大输出电流在运放的输出端加一级射极输出器或互补输出级。
复习
1.差分放大电路的类别基本差分放大电路长尾差分放大电路恒流源式差分放大电路
2.差分放大电路的接法
+VCC
Rc2
+ VT
1
VT
2
Rb2
Rc1R
b1
~
~+
+
uId Id21u
Id21u
+ uo
R1
R2
+VCCR
c
+ VT
1
VT
2
Rc
~
~+
+
uId Id21u
Id2
1u
+uo
R
R?
VEE
Re
Rc
VT
1
VT
2
Rc
+ uo
R R
uI1 u
I2
C
C
Re
Rb2
Rb1
VEE
VT
3
Rc
VT
1
VT
2
Rc
+ uo
R
uI
uI2
+VCC
VEE
IR
+
双端输入、双端输出；
双端输入、单端输出；
单端输入、双端输出；
单端输入、单端输出。
FET差分放大电路
T2
Rg1
vid T
1
Rd Rd VDD
-VEE
Rg2
Vo2iD2iD2
I0
3.直接耦合互补输出级
RL
R
D1
D2
T1
T2
+VCC
+
ui
+
uo
VCCV5R2
R1
ui
T4
RL
+VCC
+
uo
T1
T2
T3
VEE
R*1
R2
R3
R4
ui
IC13
R8
uo
+VCC
VEE
T14
uI
D1
R9
R1
0
T19
T18
R7
T15 D
2
复习
1.集成电路的组成输入级中间级输出级偏置电路
2.集成电路中的电流源镜像电流源
+VCC
R IREF
+ +T1 T2
IC2
IB1 IB2
2IB
IC1
UBE1 UBE2比例电流源
+VCC
R IREF
+ +T1 T2
IC2
IB1 IB2
2IB
IC1
UBE1 UBE2
微电流源
+ CC
IREF
1 2
IC22I
BI
C1
Re
加射极输出器的电流源
R
IC2
VCC
T3
T2T1
Re3
IC1
IREF IB
威尔逊电流源
RIR IC2
+VCC
IC0 IC
多路电流源
IC
T
∑IB
R
IREF
VCC
T0
ReIE
T1
IC1 IC2 IC3
Re1 Re2 Re3
T2 T3
MOS管多路电流源
MOS管多路电流源
4.1 集成运算放大电路概述
4.2 集成运放中的电流源电路
4.3 集成运放电路简介
4.5 集成运放的种类及选择
4.4 集成运放的指标及低频等效电路
4.6 集成运放大的使用第三版童诗白本章重点和考点：
1.集成电路的特点。
2.偏置电路（电流源）的作用、分类及计算。
3.理想集成运算放大电路（ IC） 的性能指标。
第三版童诗白本章讨论的问题：
1.什么是集成运算放大电路？将分立元件直接耦合放大电路做在一个硅片上就是集成运放吗？集成运放电路结构有什么特点？
2.集成运放由哪几部分组成？各部分的作用是什么？
3.如何设置集成运放中各级放大电路的静态工作点？
4.集成运放的电压传输特性有什么特点？
5.如何评价集成运放的性能？有哪些主要指标？
6.集成运放有哪些类型？如何选择？使用时应注意哪些问题？
4.1 集成运算放大电路概述集成电路简称 IC (Integrated Circuit)
集成电路按其功能分数字集成电路模拟集成电路模拟集成电路类型集成运算放大器； 集成功率放大器；
集成高频放大器 ；集成中频放大器 ；
集成比较器 ；集成乘法器； 集成稳压器 ；集成数 /模或模 /数转换器等。
集成电路的外形集成电路的外形
(a)双列直插式 (b)圆壳式 (c)扁平式
4.1.1 集成运放的电路结构特点一,对称性好，适用于构成差分放大电路。
二,集成电路中电阻,其阻值范围一般在几十欧到几十千欧之间,如需高阻值电阻时,要在电路上另想办法 。
三,在芯片上制作三极管比较方便,常常用三极管代替 电阻 (特别是大电阻 )。
四,在芯片上制作比较大的电容和电感非常困难,
电路通常采用直接耦合电路方式 。
五,集成电路中的 NPN,PNP管的? 值差别较大,
通常 PNP的? ≤ 10 。 常采用复合管的形式 。
一、输入级 差分电路，大大减少温漂。
二、中间级 采用 有源负载的共发射极电路，增益大。
三、输出级 互补对称 电路，带负载能力强四、偏置电路 电流源电路，为各级提供合适的静态工作点。
输入级偏置电路中间级 输出级+? u
o
uid
4.1.2 集成运放电路的组成及其各部分的作用实质上是一个具有高放大倍数的多级直接耦合放大电路 。
图 4.1.1 集成运算的基本组成
4.1.3 集成运放的电压传输特性图 4.1.2 集成运放的符号和电压传输特性
uO= f(uP-uN)
+ AoduP
uN uO
uO
uP-uN
集成运放的两个输入端分别为同相输入端 uP和反向输入端 uN。
电压传输特性输出电压与其两个输入端的电压之间存在线性放大关系,即
)(odO NP uuAu
集成运放的工作区域线性区域：
Aod为差模开环放大倍数非线性区域：
输出电压只有两种可能的情况,+UOM或 -UOM
UOM为输出电压的饱和电压。
uO
uP-uN
+UOM
-UOM
4.2 集成运放中的电流源电路集成运放电路中的晶体管和场效应管除了作为放大管外，还构成 电流源电路,为各级提供合适的静态电流 ;
或作为 有源负载 取代高阻值电阻,从而增大放大电路的电压放大倍数。
4.2.1 基本电流源电路一、镜像电流源 (电流镜 Current Mirror)
+VCC
R IREF
+ +T1 T2
IC2
IB1 IB2
2IB
IC1
UBE1 UBE2
R
UVI 1BECC
R E F
基准电流由于 UBE1 = UBE2,T1与
T2 参数基本相同,则
IB1 = IB2 = IB； IC1 = IC2 = IC
C2
R E FBR E F1C2C 22
IIIIII
所以
2
1
1
R E F2C
II
当满足? >> 2 时，则
R
UVII 1BECC
R E F2C
图 4.2.1
+VCC
R IREF
+ +T1 T2
IC2
IB1 IB2
2IB
IC1
UBE1 UBE2
二、比例电流源
R1 R2
由图可得
UBE1 + IE1R1 = UBE2 + IE2R2
由于 UBE1? UBE2,则
22E11E RIRI?
忽略基极电流，可得
R EF
2
1
1C
2
1
2C IR
RI
R
RI
两个三极管的集电极电流之比近似与发射极电阻的阻值成反比,故称为比例电流源 。
图 4.2.2 比例电流源三、微电流源在镜像电流源的基础上接入电阻 Re。
+VCC
R IREF
T1 T2
IC22I
BI
C1
Re
引入 Re使 UBE2 < UBE1，
且 IC2 << IC1,即在 Re 值不大的情况下,得到一个比较小的输出电流 IC2 。
图 4.2.3 微电流源
+VCC
R IREF
T1 T2
IC22I
BI
C1
Re
基本关系
e2Ce2E2BE1BE RIRIUU
因二极管方程
TT U
U
U
U
III
BEBE
ee SSC )1(
eC
S
C
S
C
BEBE
RI
I
I
I
I
UUU T
2
2
2
1
1
21 )ln( l n
2S1S II?
e2C
2C
1C
T ln RII
IU?
若 IC1和 IC2 已知，可求出 Re。
图 4.2.3 微电流源
E
E2E1
复习：
1.集成运放的电路结构特点？
2.集成运放的组成部分？
输入级常用什么结构？
输出级常用什么结构？
3.集成运放的二个工作区域？各自特点？
4.2.2 改进型电流源电路问题：基本电流源电路在?很小时,IR和 IC2
相差很大。
为了减小基极电流的影响，提高输出电流与基准电流的传输精度，稳定输出电流，可对基本电流源电路进行改进。
一、加射极输出器的电流源
R
IC2
VCC
T3
T2T1
Re3
IC1
IREF IB
由于增加了 T3,使 IC2更加接近 IREF（ 如何证明 ）
缺点,1,受电源波动影响大；
2.电流最低至 mA级。
IC2=IC1=IREF-IB3
=IREF-IE3/(β +1)
R E F
R E F
C
C
R E F
B
I
I
I
I
I
I
I
)1(
1
1
)1(
2
1
2
2
22
R E F
如 β＝ 10 IC2=0.982 IREF
增加电阻 Re2 目的是使 IE3增大。
图 4.2.4加射极输出器的电流源
R
IC2
VCC
T3
T2T1
IC1
IREF IB3
Re2
二、威尔逊电流源
T1管的 c--e串联在 T2管的发射极，其作用与典型的工作点稳定电路中的 Re相同。
图 4.2.5 威尔逊电流源
RR22C II22
21I?
）＝（
公式推导（略）
当 β＝ 10 IC2=0.984 IR
可见，在 β很小时，也可认为 IC2= IR 。 IC2受基极电流影响很小。
RIR IC2
+VCC
IC0 IC
问题,IR如何计算？
4.2.3 多路电流源电路图公式推导
IC= IE ＝ IREF - ∑ IB/(β+1)
当 β较大时 IC=IREF
由于各管的 β,UBE相同，
IERE≈IREFRE=IE1RE1
=IE2RE2=IE3RE3
IC2≈IE2=IREFRE/RE2
IC3≈IE3=IREFRE/RE3
IC1≈IE1=IREFRE/RE1
所以
T1
IC1 IC2 IC3
Re1 Re2 Re3
T2 T3
IC
T
∑IB
R
IREF
VCC
T0
ReIE
图 4.2.6基于图 4.24的多路电流源二、威尔逊电流源
T1管的 c--e串联在 T2管的发射极，其作用与典型的工作点稳定电路中的 Re相同。
图 4.2.5 威尔逊电流源
RR22C II22
21I?
）＝（
公式推导（略）
当 β＝ 10 IC2=0.984 IR
可见，在 β很小时，也可认为 IC2= IR 。 IC2受基极电流影响很小。
RIR IC2
+VCC
IC0 IC
问题,IR如何计算？
多集电极管构成的多路电流源图 4.2.7 多集电极管构成的多路电流源当基极电流一定时，集电极电流之比等于它们的集电区面积之比。
MOS管多路电流源图 4.2.8 MOS管多路电流源设沟道宽长比 W/L＝ S
漏极电流之比正比于沟道的宽长比。
例 4.2.1 图 4.2.9所示电路是 F007的电流源部分。
其中 T10与 T11为 纵向 NPN管； T12与 T13是 横向 PNP
管，它们的 β为 5,b-e间电压值约为 0.7V,试求各管的集电极电流。
图 4.2.9 F007中的电流源电路解
5
11BE12BECCCC
R EF R
UUVVI
≈0.73mA
410C
10
T ln RII
IU
C
R?
IC10≈28uA
2R12C13C
III ≈0.52mA
4.2.4 以电流源为有源负载的放大电路在集成运放中，常用电流源电路取代 RC或
Rd,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，又可获得很大的等效 RC或 Rd的。
晶体管和场效应管是有源元件，又可作为负载，故称为有源负载。
一、有源负载共射放大电路
1.电路图 2.静态分析（求参考电流，略）
3.动态分析?
UA?
b e 1b
Lce2ce11 )////(
rR
Rrr
T
Rb1
Rb2rce2
beb
L1
rR
R
UA?
二、有源负载差分放大电路利用镜像电流源 可以使 单端输出 差分放大电路的差模放大倍数提高到接近 双端输出 的情况。
2.静态分析
1.电路图
3.动态分析放大电路采用 差分输入,
单端输出 ；工作电流由恒流源 I 决定；输出电流
io =?ic4ic2 = 2?ic4
Rc
T1 T2
Rc
+uo
R R
uI
uI2
+VC
C
VEE
IR
+
图 4.2.11 有源负载差分放大电路
4.3 集成运放电路简介典型的集成运放 双极型集成运放 F007CMOS 集成运放 C14573
一、引脚
4.3.1 双极型集成运放 F007
F007 的引脚及连接示意图
(a) (b)
连接示意图
1 2 3 4
8 7 6 5
二、电路原理图图 4.3.1 F007 电路原理图
1,偏置电路 +VCC
T8
VCC
T9 T12 T13
T10 T11
R4
R5I8 I3,4
IC9
IC10 IREF
IC13
至输入级 至中间级5
11BE12BEEECCR EF
R
UUVVI
基准电流：
基准电流产生各放大级所需的偏置电流。
各路偏置电流的关系：
IREF I
11 IC10
I3,4
IC9 IC8
IC12 IC13
微电流源 镜像电流源 输入级镜像电流源 中间级输出级图 4.3.1-1 F007 的偏置电路
2,输入级
T1,T2,T3,T4 组成共集 - 共基差分放大电路；
T1,T2 基极接收差分输入信号。
T5,T6 有源负载；
T4 集电极送出单端输出信号至中间级 。
uOR
W 调零电阻,R
外接电阻 。
T7 与 R2 组成射极输出器 。
+VCC
VEE
T6
R1
I3,4
IC10
IC9
R2 R3
RR
W
T4
T2
T7
T5
T3
T1
T8 T9
图 4,3,1-2
uI2uI1
若暂不考虑 T7 和调零电路则电路可简化为,+V
CC
VEE
I3,4
T4
T2
T3
T1
I8
RC RC
uI1 uI2
uO
(1),T1,T2 共集组态,具有较高的差模输入电阻和共模输入电压 。
(2),共基组态的 T3,T4,与有源负载 T5,T6 组合,可以得到很高的电压放大倍数 。
(3),T3,T4 共基接法能改善频率响应 。
(4),该电路具有共模负反馈,能减小温漂,提高共模抑制比 。
图 4.3.1.2
简化示意图
3,中间级图 4.3.1-3 中间级示意图
+VCC
VEE
T15
T16
IC13
R7
T17
R830pF
输入来自 T4 和 T6集电极；
输出接在输出级的两个互补对称放大管的基极 。
中间级 T16,T17 组成复合管,T13 作为其有源负载 。
8,9 两 端 外 接 30pF
校正电容防止产生自激振荡 。
4,输出级
IC13
R8
uo
+VCC
VEE
T14
uI
D1
R9
R10
T19T
18
R7
T15 D
2
图 4.3.1-4 F007 输出级原理电路
T14,T18,T19 准互补对称电路；
D1,D2,R9,R10
过载保护电路；
T15,R7,R8 为功率管提供静态基流。
V7.0)1(
8
7
B E 1 5
8
87
C E 1 5
R
RU
R
RRU
调节 R7,R8 阻值可调节两个功率管之间的电压差。
这种电路称为 UBE 倍增电路。
4.3.2.单极型集成运放
T2
+vDD
-vss
ui1 u
i2
vGS3 vGS4u
oD1 uoD2
vGS1 v
GS2
T3
T1
T4
iD3 iD4
iD1 iD2
IRE
F T
REF
T5
T6 T
7
ID5
ID6 I
0
vGS7vGS6
vGS5
vGSR
一、电路结构双入双出差分式放大电路耗尽型 NMOSFET对管 T1,T2
有源负载增强型 NMOSFET对管 T3 T4
偏置电路
TREF,T5,T6 T7组成。
二、工作原理电路的基准电流 IREF＝ ID5＝ ID6＝ I0
静态分析 ID1＝ ID2＝ I0/2 输出电压 UoQ＝ UoD1Q- UoD2Q ＝ 0
动态分析 uo＝ uoD1- uoD2
差模电压增益 AVD＝ uo / uid＝ - gm (rds1// rds3),
4.4 集成运放的性能指标及低频等效电路一、开环差模电压增益 Aod
一般用对数表示，定义为
UU UA ΔΔ Δlg20
-
O
od
单位：分贝理想情况 Aod 为无穷大； 实际情况 Aod 为 100 ~ 140 dB。
4.4.1集成运放的主要性能指标二、输入失调电压 UIO
三、输入失调电压温漂?UIO
定义,为了使输出电压为零,在输入端所需要加的补偿电压 。
一般运放,UIO 为 1 ~ 10 mV；
高质量运放,UIO 为 1 mV 以下。
定义：
T
U
U d
d IO
IO
一般运放为 每度 10 ~ 20?V；
高质量运放低于每度 0.5?V 以下 ；
四、输入失调电流 IIO
五、输入失调电流温漂?IIO
当输出电压等于零时,两个输入端偏置电流之差,即定义：
B2B1IO III
一般运放为 几十 ~ 一百纳安；高质量的低于 1 nA。
定义：
T
I
I d
d IO
IO
一般运放为 每度几纳安；高质量的每度几十皮安。
六、输入偏置电流 IIB
七、差模输入电阻 rid
八、共模抑制比 KCMR
定义,输出电压等于零时,两个输入端偏置电流的平均值 。
)(21 B2B1IB III
定义：
Id
Id
id Δ
Δ
I
Ur?
一般集成运放为几兆欧。
定义：
oc
od
C M R lg20 A
AK?
多数集成运放在 80 dB 以上，高质量的可达 160 dB。
九、最大共模输入电压 UIcm
输入端所能承受的最大共模电压。
十、最大差模输入电压 UIdm
反相输入端与同相输入端之间能够承受的最大电压。
十一,? 3 dB带宽 fH
表示 Aod 下降 3 dB 时的频率 。 一般集成运放 fH 只有几赫至几千赫 。
十二,单位增益带宽 fc
Aod 降至 0 dB 时的频率,此时开环差模电压放大倍数等于 1 。
十三,转换速率 SR
额定负载条件下,输入一个大幅度的阶跃信号时,
输出电压的最大变化率 。 单位为 V /?s 。
在实际工作中,输入信号的变化率一般不要大于集成运放的 SR 值 。
其他技术指标还有：最大输出电压,静态功耗及输出电阻等 。
4.4.2 集成运放的低频等效电路考虑各种失调因素时等效电路图不考虑各种失调因素的电路图
4.5 集成运放的种类及选择
4.5.1 集成运放的发展概况
4.5.2 集成运放的种类一、按工作原理分类
1.电压放大型 F007,F324
2.电流放大型 LM3900,F1900
3.跨导型 LM3080,F3080
4.互阻型 AD8009,AD8011
二、按可控性分类
1.可变增益运放
2.选通运放
1.高精度型性能特点,漂移和噪声很低,开环增益和共模抑制比很高,误差小 。 （ F5037）
2.低功耗型性能特点,静态功耗一般比通用型低 1 ~ 2 个数量级 (不超过毫瓦级 ),要求电压很低,
有较高的开环差模增益和共模抑制比 。
（ TLC2552）
三、按性能指标分类
3.高阻型性能特点,通常利用场效应管组成差分输入级,输入电阻高达 1012?。
高阻型运放可用在测量放大器,采样 -保持电路,带通滤波器,模拟调节器以及某些信号源内阻很高的电路中 。 （ F3130）
4.高速型大信号工作状态下具有优良的频率特性,
转换速率可达每微秒几十至几百伏,甚至高达 1 000 V/?s,单位增益带宽可达 10
MHz,甚至几百兆欧 。
性能特点：
常用在 A / D 和 D / A 转换器,有源滤波器,高速采样 -保持电路,模拟乘法器和精度比较器等电路中 。 （ F3554）
5.高压型性能特点,输出电压动态范围大，电源电压高，
功耗大。
6.大功率型性能特点,可提供较高的输出电压较大的输出电流,负载上可得到较大的输出功率 。
4.5.3 运放的选择 （略）
4.6 集成运放的使用一、集成运放的外引线（管脚）
二、使用中可能出现的异常现象
1,不能调零调零电位器故障；
电路接线有误或有虚焊；
反馈极性接错或负反馈开环；
集成运放内部损坏；
重新接通即可恢复为输入信号过大而造成,堵塞,现象原因
4.6.1 使用时必做的工作
2,漂移现象严重存在虚焊点运放产生自激振荡或受强电磁场干扰集成运放靠近发热元件输入回路二极管受光照射调零电位器滑动端接触不良集成运放本身损坏或质量不合格原因
3,产生自激振荡消振措施按规定部位和参数接入校正网络防止反馈极性接错避免负反馈过强合理安排接线，防止杂散电容过大
4.6.2 保护措施一、输入保护
(a)防止输入差模信号幅值过大
(b)防止输入共模信号幅值过大
+V
+
A
R1
D1
D2
RF
R
V
uO
uI 保护元件保护元件
uO
+
A
R1
RF
D1
D2uI
保护元件图 4.6.1 输入保护措施二,电源极性错接保护保护元件,D1,D2
三,输出端错接保护保护元件：稳压管 DZ1,DZ2
+
A
D1
D2
+
A
R1
DZ1
DZ2
RF
uO
uI
R?
图 4.6.2 利用稳压管保护运放图 4.6.3 电源接错保护四、输出限流保护
+
A
T1
T2
-VEER2
R3
R4
R1
T4
R5
T3
+VCC
C1
C1
C2
保护元件,T1,T2
(b)保护管工作特性正常工作时工作点在 A；
工作电流过大，工作点经
B移到 C 或 D 点。
(a)电 路 图
B
C D
A
IC
UCEO
图 输出限流保护
4.6.3 输出电压与输出电流的扩展一、提高输出电压采用在运放输出端再接一级由较高电压电源供电的电路，
来输出电压幅值。
+
uN
uP
A
图 4.6.4提高输出电压的电路
uO
+VC
C
(+30V)
-VCC
(-30V)
T1
T2
R1
R2
R3
R4
b1
b2
e1
e2
二、增大输出电流在运放的输出端加一级射极输出器或互补输出级。
复习
1.差分放大电路的类别基本差分放大电路长尾差分放大电路恒流源式差分放大电路
2.差分放大电路的接法
+VCC
Rc2
+ VT
1
VT
2
Rb2
Rc1R
b1
~
~+
+
uId Id21u
Id21u
+ uo
R1
R2
+VCCR
c
+ VT
1
VT
2
Rc
~
~+
+
uId Id21u
Id2
1u
+uo
R
R?
VEE
Re
Rc
VT
1
VT
2
Rc
+ uo
R R
uI1 u
I2
C
C
Re
Rb2
Rb1
VEE
VT
3
Rc
VT
1
VT
2
Rc
+ uo
R
uI
uI2
+VCC
VEE
IR
+
双端输入、双端输出；
双端输入、单端输出；
单端输入、双端输出；
单端输入、单端输出。
FET差分放大电路
T2
Rg1
vid T
1
Rd Rd VDD
-VEE
Rg2
Vo2iD2iD2
I0
3.直接耦合互补输出级
RL
R
D1
D2
T1
T2
+VCC
+
ui
+
uo
VCCV5R2
R1
ui
T4
RL
+VCC
+
uo
T1
T2
T3
VEE
R*1
R2
R3
R4
ui
IC13
R8
uo
+VCC
VEE
T14
uI
D1
R9
R1
0
T19
T18
R7
T15 D
2
复习
1.集成电路的组成输入级中间级输出级偏置电路
2.集成电路中的电流源镜像电流源
+VCC
R IREF
+ +T1 T2
IC2
IB1 IB2
2IB
IC1
UBE1 UBE2比例电流源
+VCC
R IREF
+ +T1 T2
IC2
IB1 IB2
2IB
IC1
UBE1 UBE2
微电流源
+ CC
IREF
1 2
IC22I
BI
C1
Re
加射极输出器的电流源
R
IC2
VCC
T3
T2T1
Re3
IC1
IREF IB
威尔逊电流源
RIR IC2
+VCC
IC0 IC
多路电流源
IC
T
∑IB
R
IREF
VCC
T0
ReIE
T1
IC1 IC2 IC3
Re1 Re2 Re3
T2 T3
MOS管多路电流源
MOS管多路电流源
