6.1 集成电路运算放大器中的电流源
6.2 差分式放大电路
6.3 集成电路运算放大器
6.4 集成电路运算放大器主要参数
第六章 集成电路运算放大器
教学内容：
本章首先讨论组成集成运放的基本
单元电路、典型集成运放电路基其性能
指标，接着简述了几种专用型运放。
教学要求：
本章需要重点掌握差分式放大电路的
分析计算；另外还需了解集成运放中的电
流源。
在半导体制造工艺的基础上，把整个电
路中的元器件制作在一块硅基片上，构成特
定功能的电子电路，称为集成电路。集成电
路具有以下特点：
a.电路结构与元件参数具有对称性；
b.具有源器件代替无源器件；
c.采用复合结构的电路；
d.级间采用直接耦合方式；
e.电路中的二极管多用于温度补偿或电位
移动电路，大都采用 BJT的发射结构成。
6.1 集成电路运算放大器中的电流源
电流源是提供恒定电流的电子线路，在模
拟集成电路中，广泛的使用电流源为放大器提
供稳定的偏置电路或作为放大电路的有源负载。
1.镜像电流源
电路如图所示，设
T1,T2的参数完全相同。
即
VBE1 = VBE12,?E1 = ?E2,
?CEO1 = ?CEO2,?C1 = ?C2,
?1 = ?2，当 ?较大时，
?B 可以忽略，所以 ?C2 近
似等于基准电流 ?REF,
R R c
T 2T 1
C2I
I C1
v cc
I REF
2I B
镜像电流源电路适用于较大工作电流 (毫
安数量级 )的场合，若需减小 ?C2的值，必要求
R的值很大，而这在集成电路中难以实现。因
此需要研究改进型的电流源。 (见例题 )
R
V
R
VV CCBECC
R E FC ?
?????
2
2.微电流源
如图所示，在 T2的
射极电路接入电阻 Re2,
当基准电流 ?REF一定时,
?C2可确定如下：
2
22
2221
e
BE
EC
eEBEBEBE
R
V
RVVV
?
????
?????
1
R
T
I C1
I RE F
C2I
T 2
2I B
R e2
ccv
V BE1 BE2V
由上式可知，利用两管基 -射极电压差 ?VBE
可以控制输出电流 ?C2 。由于 ?VBE的数值小,故
用阻值不大的 Re2即可获得微小的工作电流由于
T1对 T2 有温度补偿作用，所以 ?C2 的温度稳定性
也较好。
2
22
2221
e
BE
EC
eEBEBEBE
R
V
RVVV
?
????
?????
3.电流源用作有源负载
由于电流源具有直
流电阻小而交流电阻很
大的特点，在模拟集成
电路中，广泛的把它作
为负载使用，称为有源
负载。如图所示电流源
作为集电极负载。电流
?C2 = ?C1 等于基准电流
?C3(?REF)。同时，电流源
常用作射极负载。
T 3 T 2
T 1
V o
V i
V cc
R
I RE F
6.2 差分式放大电路
差分式放大电路又称差动放大器，就其功
能来说，是放大两个输入信号之差，且具有抑
制零点漂移的能力。设输入信号电压 Vi1和 Vi2
输出端信号为 Vo，则：
差模信号为：
共模信号为：
21 iiid VVV ??
2
21 ii
ic
VVV ??
id
d
VD V
VA 0?
iC
C
VC V
VA 0?
iCVCidVD VAVAV ??0
||
VC
VD
C M R A
AK ?
差模电压增益：
(见例题 )
共模电压增益：
输出电压为：
共模抑制比：
6.2.1基本差分式放大电路
如图所示，它由两
个特性相同的 BJT,T1、
T2组成对称电路，电路
参数也对称，
即 RC1 = RC2 = RC
T 1
R C1
V C1
C1I
V i1
+
- -
+
2T
i2V
I C2
C2R
V C2
V cc
r o
V EE
-
I o
1,工作原理
(1)静态分析
当没有输入信号电压时，输出信号电压 Vo
也为 0。
(2)动态分析
当在电路两个输入端各加一个大小相等、
极性相反的信号电压时，一管电流将增加，另
一管电流则减小，所以输出信号电压不为 0,
记载输出端间有信号电压输出。这种输入方式
称为差模输入。
2.抑制零点漂移的原理
零点漂移 (简称零漂 )，就是当放大电路
的输入端短路时，输出端还有缓慢变化的电
压产生，即输出电压偏离原来的起始点而上
下漂动。在直接耦合多级放大电路的 Q点由
于某种原因而稍有偏移时，第一级的输出电
压将发生微小的变化就会逐级被放大，致使
放大电路的输出端产生。
3.主要技术指标的计算
(1)差模电压增益
a.双端输入双端输出
如图所示，
id
VD V
VA 0?
be
C
ii r
R
VV
VV ???
?
??
21
0201
OV
T 1
+
-
V =V /2i1
+
T 2
-
V =V /2i2
RC1I R C
I
C
C2
V O1 O2V
eVid
id
当集电极 c1,c2两点间接入负载电阻 RL时,
综上分析可知，在电路完全对称、双端
输入、双端输出的情况下，基本差分式电路
与单边电路的电压增益相等。可见，该电路
是用成倍的元器件以换取抑制零点漂移的能
力。 (见例题 )
be
L
VD r
RA ???? ?
)2||( LCL RRR ???
b.双端输入单端输出
如输出电压取自其中一管的集电极 (Vo1
或 Vo2)，则称为单端输出，其电压增益只有
双端输出时的一半，即
be
C
VDVD r
RAA
22
1
1
????
(2)共模电压增益
a.双端输出
如图所示，当从两管
集电极输出时，由于电路
的对称性，其输出电压 VOC
约为 0，而
要达到电路完全对称是不
易的，即使这样这种电路
抑制共模信号的能力也是
很强的。
00 ??
iC
C
VC V
VA
V OC
-
+
OC2OC1 VV
2T1T
+
-
CR CR
V i2V i1
b 1 2b
2r o o2r
b.单端输出
由上式可知,ro越大,AVC1越小，它抑制
共模信号能力越的强。
0
2010
1 2)1( rr
R
V
V
V
VA
be
C
iC
C
iC
C
VC ?
?
??
????
0
1 2 r
RA C
VC ???
,1,2)1( 0 ????? ?? berr
(3)共模抑制比 KCMR
是指放大电路对差模信号的电压增益 AVD
于对共模信号的电压增益 AVC之比的绝对值。
由上式可知，差模电压增益越大，共模电
压增益越小，则共模抑制能力越强，放大电路
的性能越优良。有时共模抑制比也可以用分贝
(dB)数来表示：
||
VC
VD
C M R A
AK ?
dB
A
AK
VC
VD
C M R ||lg20?
在基本差分式放大电路中若电路完全对称，
则共模抑制比的表达式为：
由上式可知，恒流源的交流电阻 ro的数值
越大，抑制共模信号的能力愈强。
beVC
VD
C M R r
r
A
A
K 0
1
1 || ???
6.2.2 FET差分式放大电路
由 BJT组成的差分式电路对共模输入信号
有相当强的抑制能力，但它的差模输入阻抗很
低。因此，高输入阻抗模拟集成电路中，常采
用输入电阻高、输入偏置电流很小的 FET差分
式放大电路。
T 1
R d1
10 k
D1I
I D2
d2R
2T
10 k
V o2
R g2
1M
T 3
oI
T 4
R 3
2.7 K
R 2
3.3 K
R 1
20 K
V DD
+12 V
V id
R g1
1M
E3I I E4
RE F I
V ss
-1 2 V
带恒流源的 JEFT差分式放大电路
如图所示为带恒流源的 JEFT差分式放大电
路。其中 JEFT,T1,T2是差分对管,BJT,T3、
T4 及 R1, R2,R3组成恒流源电路，用于抑制共
模信号，该电路是单入单出差分式放大电路。
其差模电压增益为：
式中 gm 为 T1,T2的互导； Rd = Rd1 = Rd2
dm
id
VD RgV
VA
2
102
2 ??
6.3 集成电路运算放大器
6.3.1 简单的集成电路运算放大器
集成电路 运算放大器是一种高电压增益、
高输入阻抗和低输出阻抗的多级直接耦合放
大电路。它的种类很多，电路也不一样，但
结构有共同之处。一般由输入级、中间 ( 放
大 ) 级、输出级、电平移动级、补偿和过载
保护电路等组成。
根据其结构特点，一般利用差动电路抑制
包括温漂在内的共模干扰，利用电流源解决弱
电流偏置问题，利用有源负载提高开环增益。
集成运算放大器的组成框图如图所示；
差分
输入级 电压放大级 输出级
偏置电路
+
vid
-
vo
输入级：要求失调及漂移小、输入电阻高。
一般是由 BJT,JEFT、或 MOSFET组成的差分式放
大电路,利用它的对称性可以提高整个电路的
共模抑制比和其他方面的性能。
电压放大级：要求电压增益高。它由以及或
多级放大电路组成，集成运放的放大倍数主要由
该级提供。
输出级：除了要有较大的额定输出电压和
电流以外，还要求输出电阻小。一般由电压跟
随器或互补式射极输出器组成，以降低输出电
阻，提高带负载能力。
偏置电路：为各级提供合适的工作电流。
大量采用小电流的恒流源。
此外，还有一些辅助环节，如电平移动电
路、过载保护电路、调零和高频补偿环节等。
6.3.2 通用型集成电路运算放大器
如图所示为 741模拟集成电路的原理图。
T 8 T 9
T 1 T 2
T 3 4T
T 5 T 6
+ -
T 7
R 1
1K
R 3
1K
R 2
50 K
R p
R 4
3K
REF I
C c
30 p F
T 16
R 6
50 k
R 7
50
T 10 T 11 22T
T 17
5R
39 k
12T T 13
T 24
T 23
T 14
T 15
T 21
T 20
T 18
R 8
10 k
T 19
R 9
25
R 10
50
V cc
15 V
V EE
15 V
输入级 偏置电路 中间级 输出级
1.偏置电路
741型集成运放由 24个 BJT,10个电阻和
一个电容所组成。在体积小的条件下，为了
降低功耗以限制温升，必须减小各级的静态
工作电流，故采用微电流源电路。图中由
+VCC?T12 ?R5 ? T11 ? - VEE
构成主偏置电路决定偏置电路的基准电流 ?REF。
输入级的偏置电路本身构成反馈环，可减小
零点漂移。
2.输入级
图中由 T1-- T6组成的差分式放大电路，
由 T6 的集电极输出,T1,T3和 T2,T4组成共
集 –共基复合差分电路。 T1,T2 组成共集电
路可以提高输入阻抗,T3,T4 组成共基电路
和 T5,T6 和 T7组成的有源负载，有利于提高
输入级的电压增益、最大差模输入电压并扩
大共模输入电压范围，同时改善频率响应。
a.当输入信号 Vi=0时，差分输入级处于平衡
状态，输出电流 io1=0；
b.当接入信号 Vi并使同相输入端为 +，反相输
入端为 - 时，差分输入级的输出电流为两边输出
电流变化量的总和，使单端输出的电压增益提高
到近似等于双端输出的电压增益。
c.当输入为共模信号时,iC3和 iC4相等,io1=0，
从而使共模抑制比大为提高。
3.中间级
由 T16,T17组成复合管共射极放大电路，
集电极负载为 T13B所组成的有源负载，其交
流电阻很大，故本级可以获得很高的电压增
益，同时也有较高的输入电阻。
4.输出级
本级是由 T14和 T20组成的互补对称电路。
整个电路要求当输入信号为零时输出也应为
零。 (见例题 )
6.4 集成电路运算放大器的主要参数
1.输入失调电压 V?O
在室温 (25℃) 及标准电源电压下，输入
电压为零时，为了使集成运放的输出电压为
零，在输入端加的补偿电压叫做失调电压。
2.输入偏置电流 ??B
指集成运放输出电压为零时，两个输入
端静态电流的平均值。
3.输入失调电流 ??O
指当输出电压为零时流入放大器两输入
端的静态基极电流之差，即 ??O=|?BP - ?BN|。
4.温度漂移
它是由输入失调电压和输入失调电流随
温度的漂移所引起的。
(1)输入失调电压温漂 ?V?O/ ?T
这是指在规定温度范围内 V?O的的温度系
数，也是衡量电路温漂的重要指标。
(2)输入失调电流温漂 ???0/?T
这是指在规定温度范围内 ??O的温度系数，
也是对放大电路电流漂移的量度。
5.最大差模输入电压 Vidmax
所指的是集成运放的反相和同相输入端
所能承受的最大电压值。
6.最大共模输入电压 Vicmax
这是指运放所能承受的最大共模电压。
7.最大输出电流 ?omax
是指运放所能输出的正向或负向的峰值
电流。
8.开环差模电压增益 AVO
是指集成运放工作在线性区，接入规定
的负载，无负反馈情况下的直流差模电压增
益。
9.开环带宽 BW(fH)
是指开环差模电压增益下降 3dB时对应的
频率 fH。
10.单位增益带宽 BWG(fT)
对应于开环电压增益 AVO频率响应曲线上
起增益下降到 AVO=1时的频率。
11.转换速率 SR
是指放大电路在闭环状态下，输入为大信
号时，放大电路输出电压对时间的最大变化速
率，即
m a x
0 |)(
dt
tdVS
R ?
例, 如图所示是一个
对镜像电流源加以改进的
电路，若 T1,T2参数相同，
试证明当 ? = ?2 = ?3 时，
2
33
2 2
1
?? ?
?
?
?? Rc
R
T
T
T 1
3
2
E c
RI
C2I
证明：流过电阻 R上的电流等于 T1发射极电
流与 T3基极电流之和，即
由于 T1,T2对称,有 ?c1 = ?c2
31 ccR ?????
3
3
1 1 ??
???? e
c
3
21
1 1 ??
?????? bb
c
)1(
2
32
2
2 ?? ?
?????? c
cR
2
33
2 2
1
?? ?
?
?
?? Rc
分析：
本题电路是接入共集管的微电流源，常用
于集成电路内部为三极管提供偏置电流。根据
T1,T2参数相同的特点和三极管间电流关 系，
可以确定提供偏置电流 ?C2值的大小。
例, (北京理工大学 1999
年研究生入学试题 )如图
所示为差动放大电路,已
知 rbb` =0,VBE = 0.6V,
?值均为 50，调节 Rw
的滑动端可调节该电路
的差模电压放大倍数 Aud,
问：当 Rw的滑动端调至
最上端时 Aud =？
T 1 T 2
R c1
5.1K
R C2
5.1K
V CC15V
U o
U i
3.3K R 2
2K
R W
1.8K
R 1
1K
V EE
15V
3T
I C3
解：当 Rw的滑动端调至最上端时，
忽略 VBE,
)( 21
1
3 RRR
RVV
W
EE
B ????
1.11
)28.111(
1115
??
??
?
??
3.3
151.11
3
3
3
??????
e
EEB
c R
VV
mA167.1?
mAcEQEQ 58.021 321 ??????
21 bebe rr ?
??
?
?
?? ?
k
mA
mV
r
E
bb
3.2
)(
)(26)1( ?
55
2 2
2 ???
be
c
id
od
ud r
R
U
UA ?
分析：
该电路是恒流源差动放大电路，调整 Rw
改变 ?c3值，相应 ?EQ1和 ?EQ2改变,rbe1和 rbe2 变
化，可调节电压放大倍数 Aud。
例, 某复合管结构的差动电路 如图所示,
已知三极管的 ?,rbe1 =rbe2, rbe3=rbe4,试
计算,
(1) ?c3, ?c4；
(2) 输入电阻 Rid,输出电阻 Rod；
(3)差模电压放大倍数 Aud
解,(1)图中 T5和 T6构
成镜像电流源，为差动电
路提供偏置电流，即
根据差动电路对称法则，
有
Rc ??? 6
R
VVV
R
VVV
BEEECC
EEBECC
??
?
???
?
)(
643 2
1
ccc ?????
T 1
T 3
T 2
T 4
T 5 T 6
R c R c R
R W
V ee
_
U O
+
_
V CC
U i
+
_
?
?
?
?
?
?
??
?
??
? ?????
2
)1()1(2)2( 3311 ???
R
rrR bebei
Cod RR 2?
id
C
ud
R
A
2
1
)3( 31
???
??
id
C
R
??? 312??
讨论：
复合管结构的差动电路的分析方法与对
称三极管差动电路分析方法一致，只是复合
管的电流放大系数为两个三极管电流放大系
数的乘积，复合管的输入电阻 rbe可以通过等
效电路求得。复合管结构差动电路的输入电
阻和差模放大倍数都有较大的提高。
例, ( 东南大学 1997年研究生入学试题 )某
集成运算放大器的内部电路 如图所示,试完成
下类问题：
(1)指出各元件在电路中的作用；
(2)为稳定放大器的电压增益，试为该运放添
加信号原籍所需外部元件，以构成负反馈放大
器。
T 5T 10 6T T 9
1T
T 2
T 7
V O
V ss
V dd
C p
T 11
T 3 T 4
T 8
解,(1)T1,T2,T3,T4,T5组成差动放大
器，其中 T3,T4为有源负载,T5为恒流源； T8
组成共源放大器,T9为漏极有源负载,T7组成
源极跟随器,T6为源极有源负载，用以减小频
率补偿电容的直通作用,T10, T11 构成参考电
流源，与 T5组成镜像电流源，提供输入级 (T1、
T2) 的直流偏置，与 T6, T9组成有源负载。
(2)为稳定电压增益，运放应施加电压串联
负反馈，信号源 Vs应加在运放的同相输入端，
由电路可判定 T1的栅极输入端为反相输入端，
T2的栅极输入端为同相输入端，故信号源应加
在 T2管的栅极，而反馈回路则应从放大器的输
出端经反馈电阻加到运放的反相输入端 (T1 的
栅极 )。
