2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 1
第四章 集成运算放大器电路
4-1 集成运算放大器的特点
4-2 电流源电路一、单管电流源电路二、镜像电流源三、比例电流源四、微电流电流源五、负反馈型电流源六、有源负载放大器
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 2
4-3 差动放大电路
4-3-1 零点漂移现象
4-3-2差动放大器的工作原理及性能分析一、差模放大特性
1,差模电压放大倍数
2,差模输入电阻
3,差模输出电阻二,共模抑制特性
1.共模电压放大倍数
2,共模输入电阻 3.共模输出电阻
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 3
三,共模抑制比 KCMR
四,对任意输入信号的放大特性
4-3-3具有电流源的差动放大电路一、共模抑制比可做的非常高；
二、允许输入端有较大的共模电压变化。
4-3-4差动放大器的传输特性一,两管集电极电流之和恒等于 I
二、传输特性具有非线性特性三,差动放大器的增益与 I成正比
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 4
4-3-5差动放大器的失调及温漂一,差动放大器的失调二、失调的温度漂移
4-4 集成运算放大器的输出级电路
4-5 集成运放电路举例
4-5-1集成运算放大器 F007
4-7 集成运算放大器的主要性能指标
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 5
第四章 集成运算放大器电路
（ 1）了解差分放大电路的组成和工作原理，掌握静态和动态参数的分析方法。
（ 2）掌握电流源电路的结构、工作原理和分析方法。
（ 3）了解典型集成运算放大器的组成及其各部分的特点，掌握其电压传输特性和主要参数。
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 6
集成电路,60年代发展起来的一种新型器件，把众多晶体管、电阻、电容及连线制作在一块半导体芯片
（如：硅片）上，做成具有特定功能的独立电子线路。
外型一般用金属圆壳或双列直插结构。
集成电路具有性能好，可靠性高，体积小,耗电少，
成本低等优点。
集成运放,是一 种 模拟集成电路,早期实现各种数学运算，主要用于模拟计算机；现在广泛应用于各种电子系统中,是一种通用型模拟器件。
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 7
4-1 集成运算放大器的特点
1.级间只能采用直接耦合方式 (集成工艺不能制作大电容和电感 )；
2.尽可能 采用有源器件代替无源器件 (避免使用大电容、大电阻 )；
3.利用对称结构改善电路性能 (参数一致性好,
但单个元器件参数误差较大 )。
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 8
输入级中间级输出级电流源电路
U
i
U
o
图 4―1 集成运算放大器组成框图差动放大器负载为有源负载的共射放大器射随器或互补 射 随 器提供各级偏流和有源负载
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 9
4-2 电流源电路一、单管电流源电路
IC
0
IB
UCE
R1
R2
IC
R3
－ UEE
IC
Ro
(a)晶体管的恒流特性 (b)电 流源电路 (c)等效电流源表示法图 4― 2单管电流源电路
)
1(
3
3
Bbe
ceo RRr
RrR
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 10
U
CC
R
r
I
r
I
C1
V
1
V
2
I
C2
图 4―3 镜像电流源
r
CC
r
BECC
r R
U
R
UUI
1
1
112
2
2
C
r
BrCC
I
I
IIII
r
r
C I
II?
21
1
2?
)1( 1
二、镜像电流源 (Current Mirror)
工作电流参考电流
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 11
U
CC
R
r
I
r
V
1
I
C4
V
4
V
2
I
C2
V
3
I
C3
V
5
图 4―4 多路镜像电流源
rCCC IIII 4)1(
)1(
51
51
432
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 12
IrRr
IC1I
C2
UCC
IC3 Rr Ir
IC2 IC3
V3V2V1
UCC
图 4― 5多集电极晶体管镜像电流源
(a)三集电极横向 PNP管电路 (b)等价电路集成电路中多路镜像电流源的实现
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 13
三、比例电流源
R
r
I
r
I
C2
V
2
V
1
R
2
U
CC
U
BE 1
U
BE 2
＋ ＋
－ －
R
1
I
E2
I
E1
I
B1
I
B2
图 4―6 比例电流源
222111 RIURIU EBEEBE
1
1
1 ln
S
E
TBE I
IUU
1
2
2
1
21
ln
ln
E
E
T
E
E
TBEBE
I
I
U
I
I
UUU
21 SS II?
2
2
2 ln
S
E
TBE I
IUU?
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 14
室温下，当两管的射极电流相差 10倍时：
mVUIIUUU T
E
E
TBEBE 6010lnln
2
1
21
rC IR
RI
2
1
2?
若 β>>1,则 IE1≈Ir,IE2≈IC2
11
1
RR
U
RR
UUI
r
CC
r
BECC
r
仅为此时两管 UBE电压 (>600mV)的 10%。因此，
UBE1≈UBE2。
2211 RIRI EE? 222111 RIURIU EBEEBE
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 15
四、微电流电流源 (Widlar Current)
RrIr
IC2
V2V1
UCC
R2
图 4―7 微电流电流源
2
1
2
21
2
2 ln)(
1
E
ET
BEBEE I
I
R
UUU
RI
当 β1>>1 时,
IE1≈Ir,IE2≈IC2
22
2 ln
C
r
C
T
I
I
I
UR?
已知 Ir=1mA,要求 IC2=10μA时
kR 12101000ln1010 1026 6
3
2
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 16
五、负反馈型电流源
R
r
I
r
I
C2
V
2
V
1
U
CC
I
E3
I
C3
I
C1
I
B3
V
3
图 4―8 威尔逊电流源
2
2
1
1
23
3
3
3
321
3
3
131
23
1
,
2
CC
CE
ECCC
C
CBCr
r
BECC
r
BEBECC
r
II
II
IIII
I
IIII
R
UU
R
UUU
I
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 17
若三管特性相同,则 β1=β2=β3=β,
rC II )22
21(
23
利用交流等效电路可求出威尔逊电流源的动态内阻 Ro为：
ceo rR 2
2
2
1
1
23
CC
CE
IIII
2
21
3
3
3 )111(1
CC II
))(111(1 33 CrC III
较大的动态内阻； 输出电流受 β的影响也大大减小优 点
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 18
六、有源负载放大器
UCC
V3 V2
uo
V1u
i
Rr
图 4― 10有源负载放大器
(a)共射电路 (b)具有倒相功能的共射电路
UCC
V3 V2
ΔIC1
V1
i
ΔIC3 ΔIC2
uo
Iu
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 19
4-3 差动放大电路 (Differential Amplifier)
4-3-1 零点漂移现象
1.静态时，由于温度变化，电源波动等因素的影响，会使工作点电压 (即集电极电位 )偏离设定值而缓慢地上下飘动。
2.在阻容耦合电路中，因为耦合电容的存在，
输入级工作点的缓飘很难传到下一 级去,因此可忽略它的影响。但对直接耦合放大电路，这种飘动会逐级放大，会使后级放大器进入截止和饱和,这样整个电路将无法正常工作。
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 20
3.差动放大器电路能有效地克服零点漂移。 U CC
R
C
Δ U
C
R
B
Δ U
ip
＋
－
图 4―11 放大器的零点漂移等效输入漂移电压输出漂移电压等效输入漂移电压限制了放大器所能放大的最小信号。
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 21
4-3-2差动放大器的工作原理及性能分析
U CC
RC
UC2
RL
RC
UC1
Ui1
Ui2
RE
－ UEE
V1 V2
－＋ U
o
图 4―12 基本差动放大器当 Ui1=Ui2=0时
VUU BEE 7.0
则流过 RE的电流 I为
E
EE
E
EEE
R
U
R
UU
I
7.0
)(
III
II
QEQE
QCQC
2
1
21
21
故有
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 22
U CC
RC
UC2
RL
RC
UC1
Ui1
Ui2
RE
－ UEE
V1 V2
－＋ U
o
图 4―12 基本差动放大器
CQCCC
QCQC
RIU
UU
1
21
CQCCC
QCEQCE
RIU
UU
1
21
7.0
静态时，差动放大器两输出端之间的直流电压为零。
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 23
一、差模 (Difference-Mode)放大特性
U CC
RC
RL
RC
RE
－ UEE
V1 V2
－＋ uo
＋
uid1
uid2
－
＋
iB1 iB2
iC1 iC2
RE上只有静态电压，
无交流信号电压0V
0V
uid1
uid2
uC1
UCEQ1
uC2
UCEQ2
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 24
图 4― 13基本差动放大器的差模等效通路
－
＋
Uod1
＋
－
Uod2
＋ －
RL
2
R L
2 V2V1＋ ＋
Uid1
Uid2
－
－Uid
＋
－
RCRC Uod
Ib1
Ib2
Ic1 Ic2
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 25
2121 22 ododododod UUUUU
2
2
1
1
id
od
id
od
id
od
ud U
U
U
U
U
UA
——双端输出（浮动输出）时
2121 22 ididididid UUUUU
1,差模电压放大倍数
－
＋
Uod1
＋
－
Uod2
＋ －
RL
2
RL
2 V2V1＋ ＋
Uid1
Uid2
－－
Uid
＋－
RCRC Uod
Ib1
Ib2
Ic1 Ic2
be
L
r
R
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 26
— 单端输出时
1
11
( 2
id
od
id
od
ud U
U
U
UA
单）
1
12
( 2
id
od
id
od
ud U
U
U
UA
单）
1,差模电压放大倍数
－
＋
Uod1
＋
－
Uod2
＋ －
RL
2
RL
2 V2V1＋ ＋
Uid1
Uid2
－－
Uid
＋－
RCRC Uod
Ib1
Ib2
Ic1 Ic2
负载 RL?∞情况下
ud
id
od
id
od
ud AU
U
U
UA
2
1
2 1
11
(单）
或
be
LC
r
RR
2
)
2
1//(?
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 27
id
id
id I
UR?
2,差模输入电阻 (Input Differential Resistance)
注,21 bbid III
－
＋
Uod1
＋
－
Uod2
＋ －
RL
2
RL
2 V2V1＋ ＋
Uid1
Uid2
－－
Uid
＋－
RCRC Uod
Ib1
Ib2
Ic1 Ic2Iid
1
12
b
id
I
U? ber2?
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 28
3,差模输出电阻 (Output Differential Resistance)
－
＋
Uod1
＋
－
Uod2
＋ －
RL
2
RL
2 V2V1＋ ＋
Uid1
Uid2
－－
Uid
＋－
RCRC Uod
Ib1
Ib2
Ic1 Ic2
Cod RR?单）(
单端输出时为
Cod RR 2?
双端输出时为
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 29
U CC
RC
RL
RC
RE
－ UEE
V1 V2
－＋ uo
＋
uic
－
iB1 iB2
iC1 iC2
RE上有静态电压和交流信号电压0V
u ic
uC2
UCEQ2
二,共模 (Common-Mode)抑制特性
uC1U
CEQ1
iIC
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 30
RC
Uoc2
RC
Uoc1
Uic
V1 V2
－＋ Uoc
＋
－ 2R
E 2RE
图 4―14 基本差动放大器的共模等效通路
Ib1 Ib2
Ic1 Ic2I
ic
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 31
1.共模电压放大倍数
ic
ococ
ic
oc
uc U
UU
U
UA 21
— 双端输出时
RC
Uoc2
RC
Uoc1
Uic
V1 V2
－＋ Uoc
＋
－ 2RE 2RE
Ib1 Ib2
Ic1 Ic2I
ic
0?
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 32
——单端输出时
ic
oc
ic
oc
uc U
U
U
UA 21
(单）
Ebe
C
Rr
R
2)1(?
E
C
R
R
2
1.共模电压放大倍数
RC
Uoc2
RC
Uoc1
Uic
V1 V2
－＋ Uoc
＋
－ 2RE 2RE
Ib1 Ib2
Ic1 Ic2I
ic
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 33
2,共模输入电阻
ic
ic
ic I
UR?
RC
Uoc2
RC
Uoc1
Uic
V1 V2
－＋ Uoc
＋
－ 2RE 2RE
Ib1 Ib2
Ic1 Ic2I
ic
注：
121 2 bbbic IIII
12 b
ic
I
U? ]2)1([
2
1
Ebe Rr
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 34
3.共模输出电阻 — 单端输出时
Coc RR?单）(
RC
Uoc2
RC
Uoc1
Uic
V1 V2
－＋ Uoc
＋
－ 2RE 2RE
Ib1 Ib2
Ic1 Ic2I
ic
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 35
三,共模抑制比 KCMR(Common-Mode Rejection Ratio)
uc
ud
CMR A
AK?
)(lg20 dBAAK
uc
ud
C M R?
Cbe
EL
uc
ud
C M R Rr
RR
A
A
K
)(
)(
)(
单单单
)(lg20
)(
)(
)( dBA
A
K
uc
ud
C M R
单单单?
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 36
四,对任意输入信号的放大特性
2
21
21
ii
idid
UUUU差模信号：
2
21
21
ii
icic
UUUU共模信号：
2iU
1iU
2iU
1iU
2 21 ii
UU?
+=
2 21 ii
UU
2 21 ii
UU?
0V
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 37
22
2121
2
11
2121
1
22
22
idic
iiii
i
idic
iiii
i
UU
UUUU
U
UU
UUUU
U
21 ididid UUU差模输入电压：
2
21 ii UU 21 icicic UUU共模输入电压：
21 ii UU
1.任意输入信号的分解及输入电压
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 38
icucidudo UAUAU
2.任意输入信号作用下,输出电压的计算双端输出时的电路图
)( 21 iiud UUA
UCC
RC
UC2
RL
RC
UC1
Ui1 Ui2
RE
－ UEE
V1 V2
－＋ U
o＋
－
＋
－
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 39
icucidudo UAUAU )()()( 单单单
)( 21)()( iiudidud UUAUA 单单
)( )()( 单单若 ucud AA
单端输出时的电路图
UCC
RC
RL
RC
UC1
Ui1 Ui2
RE
－ UEE
V1 V2－
＋ Uo
＋
－
＋
－
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 40
如两端都不接地，这种接法称为 双端输入 ；
如信号源一端接地，这种接法称为 单端输入 。
UCC
RC
UC2
RL
RC
UC1
Ui
RE
－ UEE
V1 V2
－＋ Uo
3.关于 只有一路 信号源接入差动放大器
UCC
RC
UC2
RL
RC
UC1
Ui
RE
－ UEE
V1 V2
－＋ Uo
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 41
4-3-3具有电流源的差动放大电路
EE
TE
EQ
T
be U
UR
I
Ur 2)1()1(
T
EE
CT
LEE
C M R U
U
RU
RUK
22(?
单）
图 4―12 所示的基本差动放大器，存在两个缺点,一是共模抑制比做不高，
若 UEE=15V，则室温下,KCMR(单 )的上限约为
300，而与 RE的取值无关。
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 42
二是不允许输入端有较大的共模电压变化。
公共射极电位变化差放管的静态工作电流变化改变
be
L
id
od
id
od
id
od
ud r
R
U
U
U
U
U
UA
2
2
1
1
rbe改变
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 43
RCRC
Ui1
V1 V2
－＋ Uo
Ui2
－ UEE
I
UCC
RC
UC2
RC
UC1
Ui1
V1 V2
－＋ Uoc
－ UEE
V3
UB3 R1
R2R3
Ui2
UCC
图 4― 15具有电流源的差动放大器电路
(a)用单管电流源代替 RE的差动电路 (b)电路的简化表示恒流源
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 44
CQCBECCQCEQCE
CQCQC
BER
EC
EER
RIUUUU
III
R
UU
II
U
RR
R
U
121
321
3
33
21
2
2
1
2
2
静态工作点的估算：
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 45
一、共模抑制比可做的非常高；
二、允许输入端有较大的共模电压变化。
Auc≈0,Auc（单） ≈0
几乎不变
be
L
id
od
id
od
id
od
ud r
R
U
U
U
U
U
UA
2
2
1
1
KCMR,KCMR（单） 高电流源的输出电阻非常大
rbe几乎不变
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 46
4-3-4差动放大器的传输特性 (Transfer Characteristic)
图 4―16 简化的差动放大器
RCRC
uid
V1 V2
－＋ uo
－ UEE
I
UCC
－
＋
iC2iC1
TBE
TBE
TBE
TBE
Uu
S
Uu
SE
Uu
S
Uu
SE
eI
eIi
eI
eIi
/
/
2
/
/
1
2
2
1
1
)1(
)1(
21 EE iiI
)1(
)1(
12
1
1
2
1
T
BEBE
U
uu
C
E
E
E
ei
i
i
iI
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 47
I
ee
e
e
I
i
T
id
T
id
T
id
T
id
U
u
U
u
U
u
U
uC
22
2
1
1
I
ee
eeee
T
id
T
id
T
id
T
id
T
id
T
id
U
u
U
u
U
u
U
u
U
u
U
u
)(2
)()(
22
2222
T
id
T
id
T
id
T
id
U
u
U
u
U
u
U
u
ee
eeII
22
22
22?
)2(22
T
id
U
uthII
)
2
(
222 T
id
C U
uthIIi
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 48
21 CCo uuu
)
2
(21
T
id
CC U
uthIii
)
2
(
T
id
Co U
uthIRu
RCRC
u id
V1 V2
－＋ u o
－ UEE
I
UCC
－
＋
i C2i C1
CCC Rii )( 21
)( 21 CCCCCCCC RiURiU
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 49
iC1,iC2
I
iC1iC2
iC1 iC2
－ 6UT /
－ 4UT
－ 2UT 0 2UT 4UT 6UT uid
Q
I
2
(a)电流传输特性曲线
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 50
(b)电压传输特性曲线图 4― 17差动放大器的传输特性曲线
uo
IRC
－ 6UT /
－ 4UT
－ 2UT 0 2UT 4UT 6UT uid
－ IRC
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 51
一,两管集电极电流之和恒等于 I
二、传输特性具有非线性特性当 uid=0时，差动电路处于静态，这时
iC1=iC2=ICQ=I/2
1.在静态工作点附近，当 |uid|≤UT，即室温下，
uid在 26mV以内时,传输特性近似为一段直线 。
2.当 | uid |≥4 UT,即 uid超过 100mV时，传输特性明显弯曲，而后趋于水平。
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 52
三,差动放大器的增益与 I成正比
T
mm U
Igg
22 1
T
Q
id
C
Q
id
C
m U
I
du
di
u
ig
4
11
1
Q
id
C
m u
ig
－双端输出时跨导
－单端输出时跨导
CCCo Riiu )( 21
CcQCcQC RiIiI ))(( 2211 Ccc
Rii )( 21
CCCo Riiu )( 21 CRi
1
1 22
mQ
id
C g
u
i?
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 53
RCRC
u id
V1 V2
－＋ u o
－ UEE
I
UCC
－
＋
i C2i C1
T
m U
Ig
2?
T
CQ
eb
m U
I
r
g
差动放大器的跨导与单级共射电路的跨导相等,
从增益的角度看,相当于一级共射电路 。
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 54
IuUR id
T
C
2
CCCo Riiu )( 21 CRi
Cidm Rug
idY uKu
YY ugI?
----实现了两个模拟信号电压相乘
)2( Y
T
C g
U
RK
idYY
T
C uug
U
R
2
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 55
4-3-5差动放大器的失调及温漂一,差动放大器的失调当输入信号为零时，由于两晶体管参数和电阻值不可能做到完全对称，因而使得输出不为零。这种现象，称为差动放大器的失调。
与失调有关的具体因素：
CR SI?
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 56
实际差分放大器
RS
RS
+
-
UOOS
(a)
无失调差分放大器
RS
RS
+
-
UOOS
(b)
+
-U
IOS
uds
OOS
I O S A
UU?
图 1 实际差动电路的失调电压和失调电流总输入失调电压
---- 总输出失调电压
---- 差模源电压增益
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 57
UOOS
RS
RS
+
-
(c） 实际差分放大器
+ -UIO 无失调差分放大器
2IO
I
2IO
I
图 1 实际差动电路的失调电压和失调电流
SIOIOI O S RIUU
IIO,RS很大并接近开路时的输入失调参数；
UIO,RS为 0时的输入失调参数；
IIO,UIO,差分放大器的固有参数。
利用戴维南等效定理可得
a,b两点间开路电压b
a
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 58
RC＋ ΔRCRC
Ui
V1 V2
－＋ Uo
－ UEE
I
UCC
IB2
＋
－
－ ＋
IIO
2
IIO
2
UIO I
B1
图 4―19 差动电路的失调电压和失调电流补偿电压补偿电流
RS
RS
21
IO
BB
III
22
IO
BB
III
IB
IB
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 59
S
SS
S
S
I
II
I
I
1
2
21 BEBEIO UUU
)l n (
1
2
2
1
21
S
S
C
C
TBEBE I
I
I
IUUU
)(21 CCCCC RRIRI
C
CC
C
C
R
RR
I
I
2
1
TBE UUSEC eIII /
)(
S
S
C
C
TIO I
I
R
RUU
)(
)ln (
时当 XX
X
X
X
XX
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 60
)(
C
C
BIO R
RII
)(
S
S
C
C
TIO I
I
R
RUU
01.0
C
C
R
R 05.0
S
S
I
I
mVU IO 5.1)05.001.0(26
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 61
RCRC
V1 V2
－＋ U
o
－ UEE
I
UCC
RW
RS RS
RC
V1 V2
－＋ U
o
－ UEE
I
UCC
RW
RS RS
RC
图 4― 20差动放大器的调零电路
(a)射极调零 (b)集电极调零
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 62
二、失调的温度漂移 (Temperature Drift)
IOB
IO I
dT
d
dT
dI
dT
dI?
11
T
U
I
I
R
R
dT
dU
I
I
R
R
dT
dU T
S
S
C
CT
S
S
C
CIO )()(
T
U IO?
IOCI
)(
C
C
BIO R
RII
dT
dI
dT
dI BIO
C
B
II?
dT
dI
dT
dI
C
IO?
2
1
C
C
R
R
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 63
4-4 集成运算放大器的输出级电路
UCC
Uo
V1
V2 RL
－ UCC －
＋＋
Ui
－
图 4―21
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 64
交越失真
i
C1
0
u
BE
0
i
o
,u
o
i
C2
u
i
0
ω t
ω
t
图 4― 22 交越失真产生的原因及波形硅管导通电压，约为 0.5V,在
0.5～ -0.5V之间，两管的输出电流近似为零。
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 65
RC
VD1
VD2
V1
V2
V3
UCC
Ui＋
－
RL
－ UEE
RC
V1
V2
V3
UCC
Ui＋
－
A
I1
I2
R1
R2
B
RL
－ UEE
V4
图 4― 23克服交越失真的互补电路
(a)二极管偏置方式 (b)模拟电压源偏置方式
)1(
2
1
4 R
RUU
BEAB
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 66
4-5 集成运放电路举例
4-5-1集成运算放大器 F007
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 67
V8 V9
2V1 V23
V3 V4
V7
ΔIC3 ΔIC4
ΔIC5
V5 V6
ΔIC6
1
R1
1k
R3
50k
R2
1k
5
R4
3.2k
V10
V12 V13
V11
4.5kC
30p
R5
39k
R7
R6
7.5k
V16
V17
V15
VD1
VD2
V19
V18
R8
50
R9
25
V14
7
(＋ 15 V)
6
4
(－ 15 V)
ΔI0
图 4―24 F007 电路原理图输入级中间级输出级比例电流源镜像电流源镜像电流源微电流电流源
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 68
4-7 集成运算放大器的主要参数一,输入失调电压 UIO和输入失调电流 IIO
二,失调的温漂三、输入偏置电流 IIB
2
21 BB
IB
III
四,开环差模电压放大倍数 Aud
五、共模抑制比 KCMR
当外接 RS足够大,使 IIORS>> UIO时,失调电流
IIO ＝ IB1－ IB2
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 69
六,差模输入电阻 Rid
七、共模输入电阻 Ric
八,输出电阻 Ro
九,输入电压范围十、带宽十一、转换速率 (压摆率 )SR
十二、静态功耗 Pc
十三、电源电压抑制比 PSRR
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 70
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 71
作 业
4-1 (1)
4-2
4-4
4-5 4-7
4-6 4-12
4-14
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 72
R1
R2
IC
R3
－ UEE
RB
R3
rbe βI b rce ＋
－
Uo
Ib
Io
oceboBbeb UrIIRrI )()(? o
beB
b IRrR
RI
3
3
)1(
)1()(
3
3
3
3
3
RRr
R
r
RRr
R
rRrR
I
U
R
Bbe
ce
Bbe
ceBbe
o
o
o
图 4― 2单管电流源电路
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 73
R
r
I
r
I
C2
V
2
V
1
U
CC
I
E3
I
C3
I
C1
I
B3
V
3
图 4―8 威尔逊电流源
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 74
bebceobo rIrIIu 13 )(
13 )2( bbo III
rbbbebbeb RIIrIrI )( 3131
(1)
(2)
(3)
Rr
R3
r be βIb3 r
ce
＋
－
Uo
I o
r be
βI b2
I b2
r beβI b1
I b1
I b3
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 75
31)3( b
rbe
rbe
b IRr
RrI
式得：由
o
rbe
rbe
b IRr
RrI
)22()3()2()4( 3
式得：式代入将
(4)
(5)
be
rbe
rbe
ce
rbe
rbe
o
o
o
r
Rr
Rr
r
Rr
Rr
I
U
R
)22()3(
)22()3(
)22()32(
)1()5()4(
2
式得：式代入、将
(6)
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 76
cece
r
r
ce
rbe
rbe
o
rr
R
R
r
Rr
Rr
R
22
)22()3(
)22()32(
)6(
2
2
式可简化为：
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 77
以平面工艺为基础的半导体集成电路的制造工艺
1.由外延、氧化、光刻、扩散和薄膜淀积（或叫蒸铝）五种基本技术组成平面工艺。
2.采用 PN结隔离技术和介质隔离技术。
3.NPN型晶体三极管是最基本的器件； PNP
型晶体三极管有纵向和横向两种结构，由于发射区不是高掺杂的，因而，它们的 β值极低，约在
2～ 20之间。横向 PNP型管的 β值更低，典型值为
3～ 5。
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 78
4.电阻通常有扩散电阻和金属膜电阻两类。
扩散电阻就是杂质半导体的体电阻，由标准
N+扩散流程形成的 N+区电阻的阻值一般为 20～
100Ω，由标准 P扩散流程形成的 P区电阻的阻值一般为 100～ 20KΩ，阻值的误差较大，约为
± 20%。
利用标准的薄膜沉积流程在二氧化硅表面层上淀积一层金属膜作为电阻。
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 79
5.一般电容都是 PN结（特别是发射结）在反向偏置时的结电容，也可用 MOS电容，这是以
SiO2为介质的电容器。一般电容量不宜超过
100pF。
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 80
对单级放大器，当在晶体三极管的发射结上加上恒压源及正弦信号电压时，由于伏安特性的非线性，将使集电极电流 ic中除了直流和基波分量之外，还包含各次谐波分量，若要求二次谐波振幅为基波振幅的 2.5%，则允许信号电压的振幅为,Usm≤2.6mV
])0 2 6.0(61)0 2 6.0(210 2 6.01[ 32 sssCQkT
qu
CQC
uuuIeIi s
T=300K时,kT/q=0.026V
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 81
2
2
1
1
21
CC
BBIO
IIIII
CCC III
)(
CC II
2?
CC II
C
C
II
2
C
C
C
C IR
RI
2 )(
C
C
B R
RI
C
CC
C
C
R
RR
I
I
2
1
C
CC
CC
C
R
RR
II
I
C
C
C
C
R
R
I
I
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 82
差动电路特点
要求两管（ VT1,VT2）对称
其它元件也对称
长尾电阻
正、负 双电源
有两个输入端和两个输出端
21 )(2)(1 onBEonBE UU?
21 C EOC EO II?
21 CC RR? 21 SS RR?
EER
CCU EEU?
21 SS II?
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 83
RS
RS
+
-
实际差分放大器加补偿电压、补偿电流示意图
+ -UIO 无失调差分放大器
2IO
I
2IO
I
－ ＋
IIO
2
IIO
2
UIO IB1
I B
I B
I
B2
补偿电流补偿电压 失调电压 (Offset Voltage)
失调电流
第四章 集成运算放大器电路
4-1 集成运算放大器的特点
4-2 电流源电路一、单管电流源电路二、镜像电流源三、比例电流源四、微电流电流源五、负反馈型电流源六、有源负载放大器
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 2
4-3 差动放大电路
4-3-1 零点漂移现象
4-3-2差动放大器的工作原理及性能分析一、差模放大特性
1,差模电压放大倍数
2,差模输入电阻
3,差模输出电阻二,共模抑制特性
1.共模电压放大倍数
2,共模输入电阻 3.共模输出电阻
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 3
三,共模抑制比 KCMR
四,对任意输入信号的放大特性
4-3-3具有电流源的差动放大电路一、共模抑制比可做的非常高；
二、允许输入端有较大的共模电压变化。
4-3-4差动放大器的传输特性一,两管集电极电流之和恒等于 I
二、传输特性具有非线性特性三,差动放大器的增益与 I成正比
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 4
4-3-5差动放大器的失调及温漂一,差动放大器的失调二、失调的温度漂移
4-4 集成运算放大器的输出级电路
4-5 集成运放电路举例
4-5-1集成运算放大器 F007
4-7 集成运算放大器的主要性能指标
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 5
第四章 集成运算放大器电路
（ 1）了解差分放大电路的组成和工作原理，掌握静态和动态参数的分析方法。
（ 2）掌握电流源电路的结构、工作原理和分析方法。
（ 3）了解典型集成运算放大器的组成及其各部分的特点，掌握其电压传输特性和主要参数。
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 6
集成电路,60年代发展起来的一种新型器件，把众多晶体管、电阻、电容及连线制作在一块半导体芯片
（如：硅片）上，做成具有特定功能的独立电子线路。
外型一般用金属圆壳或双列直插结构。
集成电路具有性能好，可靠性高，体积小,耗电少，
成本低等优点。
集成运放,是一 种 模拟集成电路,早期实现各种数学运算，主要用于模拟计算机；现在广泛应用于各种电子系统中,是一种通用型模拟器件。
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 7
4-1 集成运算放大器的特点
1.级间只能采用直接耦合方式 (集成工艺不能制作大电容和电感 )；
2.尽可能 采用有源器件代替无源器件 (避免使用大电容、大电阻 )；
3.利用对称结构改善电路性能 (参数一致性好,
但单个元器件参数误差较大 )。
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 8
输入级中间级输出级电流源电路
U
i
U
o
图 4―1 集成运算放大器组成框图差动放大器负载为有源负载的共射放大器射随器或互补 射 随 器提供各级偏流和有源负载
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 9
4-2 电流源电路一、单管电流源电路
IC
0
IB
UCE
R1
R2
IC
R3
－ UEE
IC
Ro
(a)晶体管的恒流特性 (b)电 流源电路 (c)等效电流源表示法图 4― 2单管电流源电路
)
1(
3
3
Bbe
ceo RRr
RrR
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 10
U
CC
R
r
I
r
I
C1
V
1
V
2
I
C2
图 4―3 镜像电流源
r
CC
r
BECC
r R
U
R
UUI
1
1
112
2
2
C
r
BrCC
I
I
IIII
r
r
C I
II?
21
1
2?
)1( 1
二、镜像电流源 (Current Mirror)
工作电流参考电流
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 11
U
CC
R
r
I
r
V
1
I
C4
V
4
V
2
I
C2
V
3
I
C3
V
5
图 4―4 多路镜像电流源
rCCC IIII 4)1(
)1(
51
51
432
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 12
IrRr
IC1I
C2
UCC
IC3 Rr Ir
IC2 IC3
V3V2V1
UCC
图 4― 5多集电极晶体管镜像电流源
(a)三集电极横向 PNP管电路 (b)等价电路集成电路中多路镜像电流源的实现
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 13
三、比例电流源
R
r
I
r
I
C2
V
2
V
1
R
2
U
CC
U
BE 1
U
BE 2
＋ ＋
－ －
R
1
I
E2
I
E1
I
B1
I
B2
图 4―6 比例电流源
222111 RIURIU EBEEBE
1
1
1 ln
S
E
TBE I
IUU
1
2
2
1
21
ln
ln
E
E
T
E
E
TBEBE
I
I
U
I
I
UUU
21 SS II?
2
2
2 ln
S
E
TBE I
IUU?
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 14
室温下，当两管的射极电流相差 10倍时：
mVUIIUUU T
E
E
TBEBE 6010lnln
2
1
21
rC IR
RI
2
1
2?
若 β>>1,则 IE1≈Ir,IE2≈IC2
11
1
RR
U
RR
UUI
r
CC
r
BECC
r
仅为此时两管 UBE电压 (>600mV)的 10%。因此，
UBE1≈UBE2。
2211 RIRI EE? 222111 RIURIU EBEEBE
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 15
四、微电流电流源 (Widlar Current)
RrIr
IC2
V2V1
UCC
R2
图 4―7 微电流电流源
2
1
2
21
2
2 ln)(
1
E
ET
BEBEE I
I
R
UUU
RI
当 β1>>1 时,
IE1≈Ir,IE2≈IC2
22
2 ln
C
r
C
T
I
I
I
UR?
已知 Ir=1mA,要求 IC2=10μA时
kR 12101000ln1010 1026 6
3
2
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 16
五、负反馈型电流源
R
r
I
r
I
C2
V
2
V
1
U
CC
I
E3
I
C3
I
C1
I
B3
V
3
图 4―8 威尔逊电流源
2
2
1
1
23
3
3
3
321
3
3
131
23
1
,
2
CC
CE
ECCC
C
CBCr
r
BECC
r
BEBECC
r
II
II
IIII
I
IIII
R
UU
R
UUU
I
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 17
若三管特性相同,则 β1=β2=β3=β,
rC II )22
21(
23
利用交流等效电路可求出威尔逊电流源的动态内阻 Ro为：
ceo rR 2
2
2
1
1
23
CC
CE
IIII
2
21
3
3
3 )111(1
CC II
))(111(1 33 CrC III
较大的动态内阻； 输出电流受 β的影响也大大减小优 点
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 18
六、有源负载放大器
UCC
V3 V2
uo
V1u
i
Rr
图 4― 10有源负载放大器
(a)共射电路 (b)具有倒相功能的共射电路
UCC
V3 V2
ΔIC1
V1
i
ΔIC3 ΔIC2
uo
Iu
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 19
4-3 差动放大电路 (Differential Amplifier)
4-3-1 零点漂移现象
1.静态时，由于温度变化，电源波动等因素的影响，会使工作点电压 (即集电极电位 )偏离设定值而缓慢地上下飘动。
2.在阻容耦合电路中，因为耦合电容的存在，
输入级工作点的缓飘很难传到下一 级去,因此可忽略它的影响。但对直接耦合放大电路，这种飘动会逐级放大，会使后级放大器进入截止和饱和,这样整个电路将无法正常工作。
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 20
3.差动放大器电路能有效地克服零点漂移。 U CC
R
C
Δ U
C
R
B
Δ U
ip
＋
－
图 4―11 放大器的零点漂移等效输入漂移电压输出漂移电压等效输入漂移电压限制了放大器所能放大的最小信号。
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 21
4-3-2差动放大器的工作原理及性能分析
U CC
RC
UC2
RL
RC
UC1
Ui1
Ui2
RE
－ UEE
V1 V2
－＋ U
o
图 4―12 基本差动放大器当 Ui1=Ui2=0时
VUU BEE 7.0
则流过 RE的电流 I为
E
EE
E
EEE
R
U
R
UU
I
7.0
)(
III
II
QEQE
QCQC
2
1
21
21
故有
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 22
U CC
RC
UC2
RL
RC
UC1
Ui1
Ui2
RE
－ UEE
V1 V2
－＋ U
o
图 4―12 基本差动放大器
CQCCC
QCQC
RIU
UU
1
21
CQCCC
QCEQCE
RIU
UU
1
21
7.0
静态时，差动放大器两输出端之间的直流电压为零。
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 23
一、差模 (Difference-Mode)放大特性
U CC
RC
RL
RC
RE
－ UEE
V1 V2
－＋ uo
＋
uid1
uid2
－
＋
iB1 iB2
iC1 iC2
RE上只有静态电压，
无交流信号电压0V
0V
uid1
uid2
uC1
UCEQ1
uC2
UCEQ2
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 24
图 4― 13基本差动放大器的差模等效通路
－
＋
Uod1
＋
－
Uod2
＋ －
RL
2
R L
2 V2V1＋ ＋
Uid1
Uid2
－
－Uid
＋
－
RCRC Uod
Ib1
Ib2
Ic1 Ic2
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 25
2121 22 ododododod UUUUU
2
2
1
1
id
od
id
od
id
od
ud U
U
U
U
U
UA
——双端输出（浮动输出）时
2121 22 ididididid UUUUU
1,差模电压放大倍数
－
＋
Uod1
＋
－
Uod2
＋ －
RL
2
RL
2 V2V1＋ ＋
Uid1
Uid2
－－
Uid
＋－
RCRC Uod
Ib1
Ib2
Ic1 Ic2
be
L
r
R
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 26
— 单端输出时
1
11
( 2
id
od
id
od
ud U
U
U
UA
单）
1
12
( 2
id
od
id
od
ud U
U
U
UA
单）
1,差模电压放大倍数
－
＋
Uod1
＋
－
Uod2
＋ －
RL
2
RL
2 V2V1＋ ＋
Uid1
Uid2
－－
Uid
＋－
RCRC Uod
Ib1
Ib2
Ic1 Ic2
负载 RL?∞情况下
ud
id
od
id
od
ud AU
U
U
UA
2
1
2 1
11
(单）
或
be
LC
r
RR
2
)
2
1//(?
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 27
id
id
id I
UR?
2,差模输入电阻 (Input Differential Resistance)
注,21 bbid III
－
＋
Uod1
＋
－
Uod2
＋ －
RL
2
RL
2 V2V1＋ ＋
Uid1
Uid2
－－
Uid
＋－
RCRC Uod
Ib1
Ib2
Ic1 Ic2Iid
1
12
b
id
I
U? ber2?
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 28
3,差模输出电阻 (Output Differential Resistance)
－
＋
Uod1
＋
－
Uod2
＋ －
RL
2
RL
2 V2V1＋ ＋
Uid1
Uid2
－－
Uid
＋－
RCRC Uod
Ib1
Ib2
Ic1 Ic2
Cod RR?单）(
单端输出时为
Cod RR 2?
双端输出时为
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 29
U CC
RC
RL
RC
RE
－ UEE
V1 V2
－＋ uo
＋
uic
－
iB1 iB2
iC1 iC2
RE上有静态电压和交流信号电压0V
u ic
uC2
UCEQ2
二,共模 (Common-Mode)抑制特性
uC1U
CEQ1
iIC
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 30
RC
Uoc2
RC
Uoc1
Uic
V1 V2
－＋ Uoc
＋
－ 2R
E 2RE
图 4―14 基本差动放大器的共模等效通路
Ib1 Ib2
Ic1 Ic2I
ic
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 31
1.共模电压放大倍数
ic
ococ
ic
oc
uc U
UU
U
UA 21
— 双端输出时
RC
Uoc2
RC
Uoc1
Uic
V1 V2
－＋ Uoc
＋
－ 2RE 2RE
Ib1 Ib2
Ic1 Ic2I
ic
0?
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 32
——单端输出时
ic
oc
ic
oc
uc U
U
U
UA 21
(单）
Ebe
C
Rr
R
2)1(?
E
C
R
R
2
1.共模电压放大倍数
RC
Uoc2
RC
Uoc1
Uic
V1 V2
－＋ Uoc
＋
－ 2RE 2RE
Ib1 Ib2
Ic1 Ic2I
ic
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 33
2,共模输入电阻
ic
ic
ic I
UR?
RC
Uoc2
RC
Uoc1
Uic
V1 V2
－＋ Uoc
＋
－ 2RE 2RE
Ib1 Ib2
Ic1 Ic2I
ic
注：
121 2 bbbic IIII
12 b
ic
I
U? ]2)1([
2
1
Ebe Rr
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 34
3.共模输出电阻 — 单端输出时
Coc RR?单）(
RC
Uoc2
RC
Uoc1
Uic
V1 V2
－＋ Uoc
＋
－ 2RE 2RE
Ib1 Ib2
Ic1 Ic2I
ic
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 35
三,共模抑制比 KCMR(Common-Mode Rejection Ratio)
uc
ud
CMR A
AK?
)(lg20 dBAAK
uc
ud
C M R?
Cbe
EL
uc
ud
C M R Rr
RR
A
A
K
)(
)(
)(
单单单
)(lg20
)(
)(
)( dBA
A
K
uc
ud
C M R
单单单?
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 36
四,对任意输入信号的放大特性
2
21
21
ii
idid
UUUU差模信号：
2
21
21
ii
icic
UUUU共模信号：
2iU
1iU
2iU
1iU
2 21 ii
UU?
+=
2 21 ii
UU
2 21 ii
UU?
0V
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 37
22
2121
2
11
2121
1
22
22
idic
iiii
i
idic
iiii
i
UU
UUUU
U
UU
UUUU
U
21 ididid UUU差模输入电压：
2
21 ii UU 21 icicic UUU共模输入电压：
21 ii UU
1.任意输入信号的分解及输入电压
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 38
icucidudo UAUAU
2.任意输入信号作用下,输出电压的计算双端输出时的电路图
)( 21 iiud UUA
UCC
RC
UC2
RL
RC
UC1
Ui1 Ui2
RE
－ UEE
V1 V2
－＋ U
o＋
－
＋
－
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 39
icucidudo UAUAU )()()( 单单单
)( 21)()( iiudidud UUAUA 单单
)( )()( 单单若 ucud AA
单端输出时的电路图
UCC
RC
RL
RC
UC1
Ui1 Ui2
RE
－ UEE
V1 V2－
＋ Uo
＋
－
＋
－
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 40
如两端都不接地，这种接法称为 双端输入 ；
如信号源一端接地，这种接法称为 单端输入 。
UCC
RC
UC2
RL
RC
UC1
Ui
RE
－ UEE
V1 V2
－＋ Uo
3.关于 只有一路 信号源接入差动放大器
UCC
RC
UC2
RL
RC
UC1
Ui
RE
－ UEE
V1 V2
－＋ Uo
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 41
4-3-3具有电流源的差动放大电路
EE
TE
EQ
T
be U
UR
I
Ur 2)1()1(
T
EE
CT
LEE
C M R U
U
RU
RUK
22(?
单）
图 4―12 所示的基本差动放大器，存在两个缺点,一是共模抑制比做不高，
若 UEE=15V，则室温下,KCMR(单 )的上限约为
300，而与 RE的取值无关。
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 42
二是不允许输入端有较大的共模电压变化。
公共射极电位变化差放管的静态工作电流变化改变
be
L
id
od
id
od
id
od
ud r
R
U
U
U
U
U
UA
2
2
1
1
rbe改变
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 43
RCRC
Ui1
V1 V2
－＋ Uo
Ui2
－ UEE
I
UCC
RC
UC2
RC
UC1
Ui1
V1 V2
－＋ Uoc
－ UEE
V3
UB3 R1
R2R3
Ui2
UCC
图 4― 15具有电流源的差动放大器电路
(a)用单管电流源代替 RE的差动电路 (b)电路的简化表示恒流源
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 44
CQCBECCQCEQCE
CQCQC
BER
EC
EER
RIUUUU
III
R
UU
II
U
RR
R
U
121
321
3
33
21
2
2
1
2
2
静态工作点的估算：
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 45
一、共模抑制比可做的非常高；
二、允许输入端有较大的共模电压变化。
Auc≈0,Auc（单） ≈0
几乎不变
be
L
id
od
id
od
id
od
ud r
R
U
U
U
U
U
UA
2
2
1
1
KCMR,KCMR（单） 高电流源的输出电阻非常大
rbe几乎不变
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 46
4-3-4差动放大器的传输特性 (Transfer Characteristic)
图 4―16 简化的差动放大器
RCRC
uid
V1 V2
－＋ uo
－ UEE
I
UCC
－
＋
iC2iC1
TBE
TBE
TBE
TBE
Uu
S
Uu
SE
Uu
S
Uu
SE
eI
eIi
eI
eIi
/
/
2
/
/
1
2
2
1
1
)1(
)1(
21 EE iiI
)1(
)1(
12
1
1
2
1
T
BEBE
U
uu
C
E
E
E
ei
i
i
iI
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 47
I
ee
e
e
I
i
T
id
T
id
T
id
T
id
U
u
U
u
U
u
U
uC
22
2
1
1
I
ee
eeee
T
id
T
id
T
id
T
id
T
id
T
id
U
u
U
u
U
u
U
u
U
u
U
u
)(2
)()(
22
2222
T
id
T
id
T
id
T
id
U
u
U
u
U
u
U
u
ee
eeII
22
22
22?
)2(22
T
id
U
uthII
)
2
(
222 T
id
C U
uthIIi
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 48
21 CCo uuu
)
2
(21
T
id
CC U
uthIii
)
2
(
T
id
Co U
uthIRu
RCRC
u id
V1 V2
－＋ u o
－ UEE
I
UCC
－
＋
i C2i C1
CCC Rii )( 21
)( 21 CCCCCCCC RiURiU
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 49
iC1,iC2
I
iC1iC2
iC1 iC2
－ 6UT /
－ 4UT
－ 2UT 0 2UT 4UT 6UT uid
Q
I
2
(a)电流传输特性曲线
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 50
(b)电压传输特性曲线图 4― 17差动放大器的传输特性曲线
uo
IRC
－ 6UT /
－ 4UT
－ 2UT 0 2UT 4UT 6UT uid
－ IRC
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 51
一,两管集电极电流之和恒等于 I
二、传输特性具有非线性特性当 uid=0时，差动电路处于静态，这时
iC1=iC2=ICQ=I/2
1.在静态工作点附近，当 |uid|≤UT，即室温下，
uid在 26mV以内时,传输特性近似为一段直线 。
2.当 | uid |≥4 UT,即 uid超过 100mV时，传输特性明显弯曲，而后趋于水平。
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 52
三,差动放大器的增益与 I成正比
T
mm U
Igg
22 1
T
Q
id
C
Q
id
C
m U
I
du
di
u
ig
4
11
1
Q
id
C
m u
ig
－双端输出时跨导
－单端输出时跨导
CCCo Riiu )( 21
CcQCcQC RiIiI ))(( 2211 Ccc
Rii )( 21
CCCo Riiu )( 21 CRi
1
1 22
mQ
id
C g
u
i?
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 53
RCRC
u id
V1 V2
－＋ u o
－ UEE
I
UCC
－
＋
i C2i C1
T
m U
Ig
2?
T
CQ
eb
m U
I
r
g
差动放大器的跨导与单级共射电路的跨导相等,
从增益的角度看,相当于一级共射电路 。
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 54
IuUR id
T
C
2
CCCo Riiu )( 21 CRi
Cidm Rug
idY uKu
YY ugI?
----实现了两个模拟信号电压相乘
)2( Y
T
C g
U
RK
idYY
T
C uug
U
R
2
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 55
4-3-5差动放大器的失调及温漂一,差动放大器的失调当输入信号为零时，由于两晶体管参数和电阻值不可能做到完全对称，因而使得输出不为零。这种现象，称为差动放大器的失调。
与失调有关的具体因素：
CR SI?
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 56
实际差分放大器
RS
RS
+
-
UOOS
(a)
无失调差分放大器
RS
RS
+
-
UOOS
(b)
+
-U
IOS
uds
OOS
I O S A
UU?
图 1 实际差动电路的失调电压和失调电流总输入失调电压
---- 总输出失调电压
---- 差模源电压增益
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 57
UOOS
RS
RS
+
-
(c） 实际差分放大器
+ -UIO 无失调差分放大器
2IO
I
2IO
I
图 1 实际差动电路的失调电压和失调电流
SIOIOI O S RIUU
IIO,RS很大并接近开路时的输入失调参数；
UIO,RS为 0时的输入失调参数；
IIO,UIO,差分放大器的固有参数。
利用戴维南等效定理可得
a,b两点间开路电压b
a
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 58
RC＋ ΔRCRC
Ui
V1 V2
－＋ Uo
－ UEE
I
UCC
IB2
＋
－
－ ＋
IIO
2
IIO
2
UIO I
B1
图 4―19 差动电路的失调电压和失调电流补偿电压补偿电流
RS
RS
21
IO
BB
III
22
IO
BB
III
IB
IB
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 59
S
SS
S
S
I
II
I
I
1
2
21 BEBEIO UUU
)l n (
1
2
2
1
21
S
S
C
C
TBEBE I
I
I
IUUU
)(21 CCCCC RRIRI
C
CC
C
C
R
RR
I
I
2
1
TBE UUSEC eIII /
)(
S
S
C
C
TIO I
I
R
RUU
)(
)ln (
时当 XX
X
X
X
XX
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 60
)(
C
C
BIO R
RII
)(
S
S
C
C
TIO I
I
R
RUU
01.0
C
C
R
R 05.0
S
S
I
I
mVU IO 5.1)05.001.0(26
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 61
RCRC
V1 V2
－＋ U
o
－ UEE
I
UCC
RW
RS RS
RC
V1 V2
－＋ U
o
－ UEE
I
UCC
RW
RS RS
RC
图 4― 20差动放大器的调零电路
(a)射极调零 (b)集电极调零
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 62
二、失调的温度漂移 (Temperature Drift)
IOB
IO I
dT
d
dT
dI
dT
dI?
11
T
U
I
I
R
R
dT
dU
I
I
R
R
dT
dU T
S
S
C
CT
S
S
C
CIO )()(
T
U IO?
IOCI
)(
C
C
BIO R
RII
dT
dI
dT
dI BIO
C
B
II?
dT
dI
dT
dI
C
IO?
2
1
C
C
R
R
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 63
4-4 集成运算放大器的输出级电路
UCC
Uo
V1
V2 RL
－ UCC －
＋＋
Ui
－
图 4―21
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 64
交越失真
i
C1
0
u
BE
0
i
o
,u
o
i
C2
u
i
0
ω t
ω
t
图 4― 22 交越失真产生的原因及波形硅管导通电压，约为 0.5V,在
0.5～ -0.5V之间，两管的输出电流近似为零。
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 65
RC
VD1
VD2
V1
V2
V3
UCC
Ui＋
－
RL
－ UEE
RC
V1
V2
V3
UCC
Ui＋
－
A
I1
I2
R1
R2
B
RL
－ UEE
V4
图 4― 23克服交越失真的互补电路
(a)二极管偏置方式 (b)模拟电压源偏置方式
)1(
2
1
4 R
RUU
BEAB
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 66
4-5 集成运放电路举例
4-5-1集成运算放大器 F007
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 67
V8 V9
2V1 V23
V3 V4
V7
ΔIC3 ΔIC4
ΔIC5
V5 V6
ΔIC6
1
R1
1k
R3
50k
R2
1k
5
R4
3.2k
V10
V12 V13
V11
4.5kC
30p
R5
39k
R7
R6
7.5k
V16
V17
V15
VD1
VD2
V19
V18
R8
50
R9
25
V14
7
(＋ 15 V)
6
4
(－ 15 V)
ΔI0
图 4―24 F007 电路原理图输入级中间级输出级比例电流源镜像电流源镜像电流源微电流电流源
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 68
4-7 集成运算放大器的主要参数一,输入失调电压 UIO和输入失调电流 IIO
二,失调的温漂三、输入偏置电流 IIB
2
21 BB
IB
III
四,开环差模电压放大倍数 Aud
五、共模抑制比 KCMR
当外接 RS足够大,使 IIORS>> UIO时,失调电流
IIO ＝ IB1－ IB2
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 69
六,差模输入电阻 Rid
七、共模输入电阻 Ric
八,输出电阻 Ro
九,输入电压范围十、带宽十一、转换速率 (压摆率 )SR
十二、静态功耗 Pc
十三、电源电压抑制比 PSRR
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 70
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 71
作 业
4-1 (1)
4-2
4-4
4-5 4-7
4-6 4-12
4-14
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 72
R1
R2
IC
R3
－ UEE
RB
R3
rbe βI b rce ＋
－
Uo
Ib
Io
oceboBbeb UrIIRrI )()(? o
beB
b IRrR
RI
3
3
)1(
)1()(
3
3
3
3
3
RRr
R
r
RRr
R
rRrR
I
U
R
Bbe
ce
Bbe
ceBbe
o
o
o
图 4― 2单管电流源电路
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 73
R
r
I
r
I
C2
V
2
V
1
U
CC
I
E3
I
C3
I
C1
I
B3
V
3
图 4―8 威尔逊电流源
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 74
bebceobo rIrIIu 13 )(
13 )2( bbo III
rbbbebbeb RIIrIrI )( 3131
(1)
(2)
(3)
Rr
R3
r be βIb3 r
ce
＋
－
Uo
I o
r be
βI b2
I b2
r beβI b1
I b1
I b3
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 75
31)3( b
rbe
rbe
b IRr
RrI
式得：由
o
rbe
rbe
b IRr
RrI
)22()3()2()4( 3
式得：式代入将
(4)
(5)
be
rbe
rbe
ce
rbe
rbe
o
o
o
r
Rr
Rr
r
Rr
Rr
I
U
R
)22()3(
)22()3(
)22()32(
)1()5()4(
2
式得：式代入、将
(6)
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 76
cece
r
r
ce
rbe
rbe
o
rr
R
R
r
Rr
Rr
R
22
)22()3(
)22()32(
)6(
2
2
式可简化为：
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 77
以平面工艺为基础的半导体集成电路的制造工艺
1.由外延、氧化、光刻、扩散和薄膜淀积（或叫蒸铝）五种基本技术组成平面工艺。
2.采用 PN结隔离技术和介质隔离技术。
3.NPN型晶体三极管是最基本的器件； PNP
型晶体三极管有纵向和横向两种结构，由于发射区不是高掺杂的，因而，它们的 β值极低，约在
2～ 20之间。横向 PNP型管的 β值更低，典型值为
3～ 5。
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 78
4.电阻通常有扩散电阻和金属膜电阻两类。
扩散电阻就是杂质半导体的体电阻，由标准
N+扩散流程形成的 N+区电阻的阻值一般为 20～
100Ω，由标准 P扩散流程形成的 P区电阻的阻值一般为 100～ 20KΩ，阻值的误差较大，约为
± 20%。
利用标准的薄膜沉积流程在二氧化硅表面层上淀积一层金属膜作为电阻。
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 79
5.一般电容都是 PN结（特别是发射结）在反向偏置时的结电容，也可用 MOS电容，这是以
SiO2为介质的电容器。一般电容量不宜超过
100pF。
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 80
对单级放大器，当在晶体三极管的发射结上加上恒压源及正弦信号电压时，由于伏安特性的非线性，将使集电极电流 ic中除了直流和基波分量之外，还包含各次谐波分量，若要求二次谐波振幅为基波振幅的 2.5%，则允许信号电压的振幅为,Usm≤2.6mV
])0 2 6.0(61)0 2 6.0(210 2 6.01[ 32 sssCQkT
qu
CQC
uuuIeIi s
T=300K时,kT/q=0.026V
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 81
2
2
1
1
21
CC
BBIO
IIIII
CCC III
)(
CC II
2?
CC II
C
C
II
2
C
C
C
C IR
RI
2 )(
C
C
B R
RI
C
CC
C
C
R
RR
I
I
2
1
C
CC
CC
C
R
RR
II
I
C
C
C
C
R
R
I
I
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 82
差动电路特点
要求两管（ VT1,VT2）对称
其它元件也对称
长尾电阻
正、负 双电源
有两个输入端和两个输出端
21 )(2)(1 onBEonBE UU?
21 C EOC EO II?
21 CC RR? 21 SS RR?
EER
CCU EEU?
21 SS II?
2009年 7月 30日星期四 模拟电子技术 83
RS
RS
+
-
实际差分放大器加补偿电压、补偿电流示意图
+ -UIO 无失调差分放大器
2IO
I
2IO
I
－ ＋
IIO
2
IIO
2
UIO IB1
I B
I B
I
B2
补偿电流补偿电压 失调电压 (Offset Voltage)
失调电流
