第四章 集成运算放大电路
4.1 集成运算放大电路概述
,管”和“路”的紧密结合,实现模拟信号的
比例、求和、求差、积分、微分等运算。
4.1.1 集成运放的电路结构特点
一、因为硅片上不能制作大电容,所以集成运放
均采用直接耦合方式。
二、因为相邻的元件具有良好的对称性，受环境
温度和干扰等影响后的变化相同，所以集成
运放中大量采用各种差分放大电路（输入级）
和恒流源电路（作偏臵电路或有源负载）。
三、制作不同的电路，只是掩膜不同，并不增加制
造工序，所以允许采用复杂的电路形式，以提
高各种电路性能。
四、常用晶体管或场效应管有源元件代替大值电阻。
五、集成晶体管和场效应管因制作工艺不同，性能
上有较大的差异，故多采用复合形式，以得到
性能具佳的效果。
4.1.2 集成运放电路的组成及其各部分的作用
图 4.1.1
一、输入级
前臵级，往往是双端输入的高性能差分放大电
路。要求输入级的输入电阻高，差模放大倍数大抑
制共模信号的能力强，静态电流小。
二、中间级
是主放大器，常用共射或共源放大电路，并且
采用复合管和有源负载，使电压放大倍数可达千倍
以上。
三、输出级
要求输出电压线性范围宽，输出电阻小（带负
载能力强），非线性失真小。
四、偏臵电路
常用电流源电路为各级提供集电极或发射级,
漏级静态工作电流。
4.1.3 集成运放的电压传输特性
图 4.1.2
同相输入端 ;
反相输入端 ;
电压传输特性
uO=f(uP-uN);
线性区和非线性区 ;
差模开环放大倍数 Aod
uO=Aod(uP-uN);
4.2 集成运放中的电流源电路
4.2.1 基本电流源电路
一、镜像电流源
4.2.1
IB0=IB1=IB;
IC0=IC1=IC=βIB
IC1为输出电流,
IR为基准电流。
当 β?2时，输出电流
有温度补偿作用,
温度升高引起 IC1增加，由于对称性,IR也增
加，则 UB减小,最后导致 IC1减小。
问题,
输出电流 IC1大时,IR也大，则功耗很大；
输出电流 IC1小时,IR也小, 则电阻很大。
二、比例电流源
IC1可以大于或小于 IR,则能克服上述问题。
图 4.2.2
经整理可得
当 时,
在一定的取值范围内,可忽略上述对数项,则
只要改变 Ie0和 Ie1的阻值,就可以改变 IC1和 IR的
比例关系,
基准电流
Re0和 Re1都是电流负反馈电阻,因此输出电流
IC1具有更高的温度稳定性,
三、微电流源
图 4.2.3
根据上一节的分析,得出
这是一个超越方程,可以
通过图解法或累试法解出 IC1。
式中基准电流
在设计电路时，首先应确定电流 IR和 IC1的数值,
然后求出 R和 Re的数值。在 4.2.3电路中,若 VCC=15V,
IR=1mA,UBE0=0.7V,UT=26mV,IC1=20μA;则可以求得
R=14.3kΩ,Re?5.09kΩ。
所以，在微电流源中，能输出很小的电流（ 20 μA ），
但电阻却不是很大（几 ~十几 kΩ ）。
4.2.2 改进型电流源电路
一、加射极输出器的电流源
图 4.2.4
二、威尔逊电流源
图 4.2.5
IC2为输出电流,T1管
的作用相当于工作点稳
定电路中的 Re。 A点的
电流方程为
在 B点，电流方程为
整理后可得
当 β=10时,IC2?0.984IR,可见,在 β很小时也可认为
IC2 ?IR,IC2受基极电流影响很小。
4.2.3 多路电流源电路
图 4.2.6
图 4.2.7所示为多集电极
管多路电流源。 S0,S1和 S2
是各集电区的面积，则
图 4.2.7
图 4.2.8所示为场效应管
多路电流源,S0~S3是各管导
电沟道的宽长比,则
图 4.2.8
4.2.4 以电流源为有源负载的放大电路
一、有源负载共射放大电路
图 4.2.10
空载时
若 RL <<(rce1//rce2),则
说明电流 几乎全部流向了负载。
有源负载使电压放大倍数大大提高。
二、有源负载差分放大电路
图 4.2.11
以上分析说明,用镜像电流源做有源负载,
不但可将 T1管的电流变化转换为输出电流,而
且还将使所有的变化电流流向负载 RL。
图中的晶体管也可用合适的场效应管代替。
4.3 集成电路运放电路简介
本质,高性能的直接耦合放大电路。品种繁多,
内部电路不同，但基本组成部分、结构
形式、组成原则基本一致。
4.3.1 双极型集成运放
一,F007电路分析
图 4.3.1 F007电路原理图
图 4.3.2 F007电路中的放大电路部分
1、输入级
双端输入、单端输出的差分放大电路。 T1与 T2,
T3与 T4对称，构成共集 —共基电路，提高输入电阻,
改善频率响应。
T5, T6与 T7构成加射极输出器的电流源电路,
不但作有源负载，而且将 T3管集电极动态电流
转换为输出电流 ΔiB16的一部分。
输出电流加倍，使电压放大倍数增大。
共模输入时,
从 以上分析可知，共模信号基本不传递到下一
级，提高了整个电路的共模抑制比。
此外，输入级静态电流增加时,T8与 T9管集电
极电流会相应增大，但因为 IC10=IC9+IB3+IB4,且 IC10
基本恒定，所以 IC9的增大势必使 IB3, IB4减、小，从
而导致输入级静态电流减小，最后使它们基本不变。
综上所述，输入级是一个输入电阻大、输入端耐
压高、对温漂和共模信号抑制能力强、有较大差模放
大倍数的双端输入、单端输出差分放大电路。
2、中间级
以 T16和 T17组成的复合管为放大管，以电流源为
集电极负载的共射放大电路，具有很强的放大能力。
3、输出级
是准互补电路。 T18和 T19复合而成的 PNP型管与
NPN型管 T14构成互补形式，为弥补非对称性，在发
射极加两个电阻 R9和 R10,这两个电阻还和二极管 D1,
D2一起构成过流保护电路。
R7,R8和 T15构成倍增电路，为输出级设臵合适的
静态工作点，以消除交越失真。
电容 C起相位补偿作用。
4.3.2 单极型集成运放
特点,输入电流小到 10pA以下 ;输入电阻高达 Ω
以上 ;电源电压范围宽 ;所用芯片面积只是双极
型设计的 1/3~1/5,故 CMOS电路集成度更高。
图 4.3.5 图 4.3.6
T3,T4为 P沟道放大管,T5,T6管构成的电流
源为有源负载，它们共同构成共源形式的双端输入,
单端输出差分放大电路。
N沟道管 T8加有源负载,组成共源放大电路。
4.4 集成运放的性能指标及低频等效电路
4.4.1 集成运放的主要性能指标
1、开环差模增益 Aod,分贝（ dB） =20lg|Aod|。
2、共模抑制比 KCMR
3、差模输入电阻 rid
4、输入失调电压 UIO及其温漂 dUIO/dT
5、输入失调电流 IIO及其温漂 dIIO/dT
6、输入偏臵电流 IIB:IIB=1/2(IB1+IB2)
7、最大共模输入电压 UIcmax
8、最大差模输入电压 UIdmax
9,–3dB带宽 fH,Aod下降到 0.707时的频率。
10、单位增益带宽 fc:Aod=1时的信号频率。
11、转换速率 SR:SR=|duO/dt|max
4.4.2 集成运放
的低频等
效电路
图 4.4.1 集成运放低频等效电路
图 4.4.2 简化的低频等效电路
4.5 集成运放的种类及选择
4.5.1 集成运放的发展概况
自 20世纪 60年代以来,已经经历了四代产品,
4.5.2 集成运放的种类
按供电方式分,单电源、双电源（对称、不对称）；
按集成度分：单运放、双运放和四运放；
按制造工艺分：双极,CMOS和 BiFE（ 混合）型。
还可以从下面三个方面来分类,
一、按工作原理分类
1、电压放大型
2、电流放大型
3、跨导型
4、互阻型
二、按可控性分类
1、可变增益运放：用外接控制电压或数字编码信号
来控制开环差模增益。
2、选通控制运放：输入为多通道，输出为一个通道。
利用输入逻辑信号的选通作用来选择对哪个通道
的输入信号进行放大。
三、按性能指标分类
1、高阻型：大于 Ω
2,高速型：单位增益带宽达 10MHZ甚至千兆；转换
速率大多在几十至几百甚至几千伏 /微秒。
3、高精度型
4、低功耗型：几毫瓦甚至更小。电源电压为几伏。
4.5.3 运放的选择
一、信号源的性质
根据信号源是电压源还是电流源、内阻大小,
输入信号的幅值及频率的变化范围等来选择运放的
差模输入电阻,–3dB带宽、转换速率等指标参数。
二、负载的性质
根据负载电阻的大小，确定运放输出电压和
电流的幅值。对于容性或感性负载，还要考虑对
频率参数的影响。
三、精度要求
对模拟信号处理如放大、运算等，往往有精度
要求；作电压比较，往往有响应时间、灵敏度要求。
根据这些来选择运放的 Aod,IIo,SR等指标参数。
四、环境条件
根据环境温度的变化范围，可正确选择运放的
失调电压、失调电流等参数。
4.6 集成运放的使用
4.6.1 使用时必做的工作
一、集成运放的外引线
金属壳封装 (外形如图 1.6.2)和双列直插式 (有
8,10,12,14,16管脚等）封装。
二、参数测量
简易测量：用万用表电阻中间挡（,?100 Ω”或
,?1k Ω”档）对照管脚测试有无短路和断路现象。必
要时可采用专用测试设备进行测量。
三、调零或调整偏臵电压
存在失调电压和电流，所以输入为零时输出不为
零。内部无自动稳零措施的运放要外加调零电路。单
电源运放要在输入端加直流偏臵电压，设臵合适的静
态工作点，以便能放大正、负两个方向的变化信号。
四、消除自激振荡
在电源处加去耦电容。有的运放需外加频率补偿
电容。
4.6.2 保护措施
损坏原因有三条,
1、输入信号过大，使 PN结击穿；
2、电源电压极性接反或电压值过高；
3、输出端接“地”或接电源。
一、输入保护
图 4.6.1 防止输入差模、共模信号
幅值过大的保护电路
二、输出保护,
限流、限压
图 4.6.2
三、电源端保护,
防止电源接反
图 4.6.3
4.6.3 输出电压与输出电流的扩展
一、提高输出电压
图 4.6.4
设运放的电源电压为
± 15V,R1=R2=R3=R4=R,
当集成运放的输入电压
uP=uN=0时，其输出电压
uO=0,因而 b1和 b2点的电
位分别是 uB1=+15V,uB2=
–15V,b1和 b2两点的电位
差 uB1–uB2=30V。 忽略 b –e
间的压降，则 uE1?+15V,
uE2 ?–15V,uE1-uE2 ? uB1
– uB2,可见对运放来说其供
电电压仍为 ± 15V 。
当有输入信号时,
说明两路供电电源的差值与无信号时相同。
但是由于 ?VCC= ? 30,使输出电压的幅值变大
了，可达二十几伏。
二、增大
输出
电流 图 4.6.5
本章要求,
1、熟悉集成运放的组成及各部分的作用，正确
理解主要指标参数的物理意义及其主要注意
事项。
2、了解电流源电路的工作原理。
3、了解 F007的工作原理。
4.1 集成运算放大电路概述
,管”和“路”的紧密结合,实现模拟信号的
比例、求和、求差、积分、微分等运算。
4.1.1 集成运放的电路结构特点
一、因为硅片上不能制作大电容,所以集成运放
均采用直接耦合方式。
二、因为相邻的元件具有良好的对称性，受环境
温度和干扰等影响后的变化相同，所以集成
运放中大量采用各种差分放大电路（输入级）
和恒流源电路（作偏臵电路或有源负载）。
三、制作不同的电路，只是掩膜不同，并不增加制
造工序，所以允许采用复杂的电路形式，以提
高各种电路性能。
四、常用晶体管或场效应管有源元件代替大值电阻。
五、集成晶体管和场效应管因制作工艺不同，性能
上有较大的差异，故多采用复合形式，以得到
性能具佳的效果。
4.1.2 集成运放电路的组成及其各部分的作用
图 4.1.1
一、输入级
前臵级，往往是双端输入的高性能差分放大电
路。要求输入级的输入电阻高，差模放大倍数大抑
制共模信号的能力强，静态电流小。
二、中间级
是主放大器，常用共射或共源放大电路，并且
采用复合管和有源负载，使电压放大倍数可达千倍
以上。
三、输出级
要求输出电压线性范围宽，输出电阻小（带负
载能力强），非线性失真小。
四、偏臵电路
常用电流源电路为各级提供集电极或发射级,
漏级静态工作电流。
4.1.3 集成运放的电压传输特性
图 4.1.2
同相输入端 ;
反相输入端 ;
电压传输特性
uO=f(uP-uN);
线性区和非线性区 ;
差模开环放大倍数 Aod
uO=Aod(uP-uN);
4.2 集成运放中的电流源电路
4.2.1 基本电流源电路
一、镜像电流源
4.2.1
IB0=IB1=IB;
IC0=IC1=IC=βIB
IC1为输出电流,
IR为基准电流。
当 β?2时，输出电流
有温度补偿作用,
温度升高引起 IC1增加，由于对称性,IR也增
加，则 UB减小,最后导致 IC1减小。
问题,
输出电流 IC1大时,IR也大，则功耗很大；
输出电流 IC1小时,IR也小, 则电阻很大。
二、比例电流源
IC1可以大于或小于 IR,则能克服上述问题。
图 4.2.2
经整理可得
当 时,
在一定的取值范围内,可忽略上述对数项,则
只要改变 Ie0和 Ie1的阻值,就可以改变 IC1和 IR的
比例关系,
基准电流
Re0和 Re1都是电流负反馈电阻,因此输出电流
IC1具有更高的温度稳定性,
三、微电流源
图 4.2.3
根据上一节的分析,得出
这是一个超越方程,可以
通过图解法或累试法解出 IC1。
式中基准电流
在设计电路时，首先应确定电流 IR和 IC1的数值,
然后求出 R和 Re的数值。在 4.2.3电路中,若 VCC=15V,
IR=1mA,UBE0=0.7V,UT=26mV,IC1=20μA;则可以求得
R=14.3kΩ,Re?5.09kΩ。
所以，在微电流源中，能输出很小的电流（ 20 μA ），
但电阻却不是很大（几 ~十几 kΩ ）。
4.2.2 改进型电流源电路
一、加射极输出器的电流源
图 4.2.4
二、威尔逊电流源
图 4.2.5
IC2为输出电流,T1管
的作用相当于工作点稳
定电路中的 Re。 A点的
电流方程为
在 B点，电流方程为
整理后可得
当 β=10时,IC2?0.984IR,可见,在 β很小时也可认为
IC2 ?IR,IC2受基极电流影响很小。
4.2.3 多路电流源电路
图 4.2.6
图 4.2.7所示为多集电极
管多路电流源。 S0,S1和 S2
是各集电区的面积，则
图 4.2.7
图 4.2.8所示为场效应管
多路电流源,S0~S3是各管导
电沟道的宽长比,则
图 4.2.8
4.2.4 以电流源为有源负载的放大电路
一、有源负载共射放大电路
图 4.2.10
空载时
若 RL <<(rce1//rce2),则
说明电流 几乎全部流向了负载。
有源负载使电压放大倍数大大提高。
二、有源负载差分放大电路
图 4.2.11
以上分析说明,用镜像电流源做有源负载,
不但可将 T1管的电流变化转换为输出电流,而
且还将使所有的变化电流流向负载 RL。
图中的晶体管也可用合适的场效应管代替。
4.3 集成电路运放电路简介
本质,高性能的直接耦合放大电路。品种繁多,
内部电路不同，但基本组成部分、结构
形式、组成原则基本一致。
4.3.1 双极型集成运放
一,F007电路分析
图 4.3.1 F007电路原理图
图 4.3.2 F007电路中的放大电路部分
1、输入级
双端输入、单端输出的差分放大电路。 T1与 T2,
T3与 T4对称，构成共集 —共基电路，提高输入电阻,
改善频率响应。
T5, T6与 T7构成加射极输出器的电流源电路,
不但作有源负载，而且将 T3管集电极动态电流
转换为输出电流 ΔiB16的一部分。
输出电流加倍，使电压放大倍数增大。
共模输入时,
从 以上分析可知，共模信号基本不传递到下一
级，提高了整个电路的共模抑制比。
此外，输入级静态电流增加时,T8与 T9管集电
极电流会相应增大，但因为 IC10=IC9+IB3+IB4,且 IC10
基本恒定，所以 IC9的增大势必使 IB3, IB4减、小，从
而导致输入级静态电流减小，最后使它们基本不变。
综上所述，输入级是一个输入电阻大、输入端耐
压高、对温漂和共模信号抑制能力强、有较大差模放
大倍数的双端输入、单端输出差分放大电路。
2、中间级
以 T16和 T17组成的复合管为放大管，以电流源为
集电极负载的共射放大电路，具有很强的放大能力。
3、输出级
是准互补电路。 T18和 T19复合而成的 PNP型管与
NPN型管 T14构成互补形式，为弥补非对称性，在发
射极加两个电阻 R9和 R10,这两个电阻还和二极管 D1,
D2一起构成过流保护电路。
R7,R8和 T15构成倍增电路，为输出级设臵合适的
静态工作点，以消除交越失真。
电容 C起相位补偿作用。
4.3.2 单极型集成运放
特点,输入电流小到 10pA以下 ;输入电阻高达 Ω
以上 ;电源电压范围宽 ;所用芯片面积只是双极
型设计的 1/3~1/5,故 CMOS电路集成度更高。
图 4.3.5 图 4.3.6
T3,T4为 P沟道放大管,T5,T6管构成的电流
源为有源负载，它们共同构成共源形式的双端输入,
单端输出差分放大电路。
N沟道管 T8加有源负载,组成共源放大电路。
4.4 集成运放的性能指标及低频等效电路
4.4.1 集成运放的主要性能指标
1、开环差模增益 Aod,分贝（ dB） =20lg|Aod|。
2、共模抑制比 KCMR
3、差模输入电阻 rid
4、输入失调电压 UIO及其温漂 dUIO/dT
5、输入失调电流 IIO及其温漂 dIIO/dT
6、输入偏臵电流 IIB:IIB=1/2(IB1+IB2)
7、最大共模输入电压 UIcmax
8、最大差模输入电压 UIdmax
9,–3dB带宽 fH,Aod下降到 0.707时的频率。
10、单位增益带宽 fc:Aod=1时的信号频率。
11、转换速率 SR:SR=|duO/dt|max
4.4.2 集成运放
的低频等
效电路
图 4.4.1 集成运放低频等效电路
图 4.4.2 简化的低频等效电路
4.5 集成运放的种类及选择
4.5.1 集成运放的发展概况
自 20世纪 60年代以来,已经经历了四代产品,
4.5.2 集成运放的种类
按供电方式分,单电源、双电源（对称、不对称）；
按集成度分：单运放、双运放和四运放；
按制造工艺分：双极,CMOS和 BiFE（ 混合）型。
还可以从下面三个方面来分类,
一、按工作原理分类
1、电压放大型
2、电流放大型
3、跨导型
4、互阻型
二、按可控性分类
1、可变增益运放：用外接控制电压或数字编码信号
来控制开环差模增益。
2、选通控制运放：输入为多通道，输出为一个通道。
利用输入逻辑信号的选通作用来选择对哪个通道
的输入信号进行放大。
三、按性能指标分类
1、高阻型：大于 Ω
2,高速型：单位增益带宽达 10MHZ甚至千兆；转换
速率大多在几十至几百甚至几千伏 /微秒。
3、高精度型
4、低功耗型：几毫瓦甚至更小。电源电压为几伏。
4.5.3 运放的选择
一、信号源的性质
根据信号源是电压源还是电流源、内阻大小,
输入信号的幅值及频率的变化范围等来选择运放的
差模输入电阻,–3dB带宽、转换速率等指标参数。
二、负载的性质
根据负载电阻的大小，确定运放输出电压和
电流的幅值。对于容性或感性负载，还要考虑对
频率参数的影响。
三、精度要求
对模拟信号处理如放大、运算等，往往有精度
要求；作电压比较，往往有响应时间、灵敏度要求。
根据这些来选择运放的 Aod,IIo,SR等指标参数。
四、环境条件
根据环境温度的变化范围，可正确选择运放的
失调电压、失调电流等参数。
4.6 集成运放的使用
4.6.1 使用时必做的工作
一、集成运放的外引线
金属壳封装 (外形如图 1.6.2)和双列直插式 (有
8,10,12,14,16管脚等）封装。
二、参数测量
简易测量：用万用表电阻中间挡（,?100 Ω”或
,?1k Ω”档）对照管脚测试有无短路和断路现象。必
要时可采用专用测试设备进行测量。
三、调零或调整偏臵电压
存在失调电压和电流，所以输入为零时输出不为
零。内部无自动稳零措施的运放要外加调零电路。单
电源运放要在输入端加直流偏臵电压，设臵合适的静
态工作点，以便能放大正、负两个方向的变化信号。
四、消除自激振荡
在电源处加去耦电容。有的运放需外加频率补偿
电容。
4.6.2 保护措施
损坏原因有三条,
1、输入信号过大，使 PN结击穿；
2、电源电压极性接反或电压值过高；
3、输出端接“地”或接电源。
一、输入保护
图 4.6.1 防止输入差模、共模信号
幅值过大的保护电路
二、输出保护,
限流、限压
图 4.6.2
三、电源端保护,
防止电源接反
图 4.6.3
4.6.3 输出电压与输出电流的扩展
一、提高输出电压
图 4.6.4
设运放的电源电压为
± 15V,R1=R2=R3=R4=R,
当集成运放的输入电压
uP=uN=0时，其输出电压
uO=0,因而 b1和 b2点的电
位分别是 uB1=+15V,uB2=
–15V,b1和 b2两点的电位
差 uB1–uB2=30V。 忽略 b –e
间的压降，则 uE1?+15V,
uE2 ?–15V,uE1-uE2 ? uB1
– uB2,可见对运放来说其供
电电压仍为 ± 15V 。
当有输入信号时,
说明两路供电电源的差值与无信号时相同。
但是由于 ?VCC= ? 30,使输出电压的幅值变大
了，可达二十几伏。
二、增大
输出
电流 图 4.6.5
本章要求,
1、熟悉集成运放的组成及各部分的作用，正确
理解主要指标参数的物理意义及其主要注意
事项。
2、了解电流源电路的工作原理。
3、了解 F007的工作原理。
