第十三讲 集成运算放大电路第十三讲 集成运算放大电路一、概述二、集成运放中的电流源电路三、集成运放电路分析四、集成运放的主要性能指标五、集成运放的种类一,概述
（ 1）直接耦合方式，充分利用管子性能良好的一致性采用差分放大电路和电流源电路。
（ 2）用复杂电路实现高性能的放大电路，因为电路复杂并不增加制作工序。
（ 3）用有源元件替代无源元件，如用晶体管取代难于制作的大电阻。
（ 4）采用复合管。
1,集成运放的特点集成运算放大电路，简称集成运放，是一个高性能的直接耦合多级放大电路。因首先用于信号的运算，故而得名。
2,集成运放电路的组成两个输入端 一个输出端若将集成运放看成为一个“黑盒子”，则可等效为一个双端输入、单端输出的差分放大电路。
集成运放电路四个组成部分的作用输入级,前置级，多采用差分放大电路。要求 Ri大,Ad
大,Ac小，输入端耐压高。
中间级,主放大级，多采用共射放大电路。要求有足够的放大能力。
输出级,功率级，多采用准互补输出级。要求 Ro小，最大不失真输出电压尽可能大。
偏置电路,为各级放大电路设置合适的静态工作点。采用电流源电路。
3,集成运放的符号和电压传输特性 uO=f(uP-uN)
由于 Aod高达几十万倍，所以集成运放工作在线性区时的最大输入电压 (uP－ uN)的数值仅为几十～一百多微伏。
在线性区：
uO＝ Aod(uP－ uN)
Aod是开环差模放大倍数。
非线性区
(uP－ uN)的数值大于一定值时，集成运放的输出不是
＋ UOM,就是－ UOM，即集成运放工作在非线性区。
二、集成运放中的电流源电路
1,镜像电流源 T0 和 T1 特性完全相同。
B0B1B E0B E1 IIUU,
C
CB10B0CR
2 IIIIII
RC 2 II,则若?
在电流源电路中充分利用集成运放中晶体管性能的一致性。
电路中有负反馈吗？
基准电流 =? RUVI )(
BECCR
RC 2 II
CC0C1 III
（ 1） VCC一定，要求 IC1大，则？
（ 2）要求 IC1小呢？
（ 1） IR大,R上消耗的功率大
（ 2） R大，集成电路中制作困难
2,微电流源要求提供很小的静态电流，又不能用大电阻。
eB E 1B E 0E1 )( RUUI
T
B E 1B E 0
T
BE )(
E1
E0SE e e U
UU
U
U
I
III,
eE1
E1
0ETB E 10BE ln RI
I
IUUU
R
UVIII
II
B E 0CC
R C0 E0
1C 1E
设计过程很简单，首先确定 IE0和 IE1，然后选定 R和 Re。
超越方程
Re
3,多路电流源
（ 1）基于比例电流源的多路电流源根据所需静态电流，来选取发射极电阻的数值。
UBE0+IE0Re0
=UBE1+IE1Re1
=UBE2+IE2Re2
=UBE3+IE3Re4
因为 UBE相差不多，故 IE0Re0≈ IE1Re1 ≈ IE2Re2 ≈ IE3Re3
（ 2）多集电极管构成的多路电流源根据所需静态电流，来确定集电结面积。
设三个集电区的面积分别为 S0,S1,S2，则
0
2
C0
C2
0
1
C0
C1
S
S
I
I
S
S
I
I,
（ 3） MOS管多路电流源根据所需静态电流，来确定沟道尺寸。
MOS管的漏极电流正比于沟道的宽长比。
设宽长比 W/L=S，且 T1～ T4的宽长比分别为 S0,S1、
S2,S3，则
0
3
D0
D3
0
2
D0
D2
0
1
D0
D1
S
S
I
I
S
S
I
I
S
S
I
I,，
基准电流
4,有源负载
（ 1）用于共射放大电路哪只管子为放大管？
其集电结静态电流约为多少？
静态时 UIQ为多少？
为什么要考虑 h22?
b e 1b
Lc e 2c e 11 )(
rR
RrrA
u
∥∥?
（ 2）用于差分放大电路
① 电路的输入、输出方式？
②如何设置静态电流？
③静态时 iO约为多少？
④动态时 ΔiO约为 多少？
C1C3C4C2C1,,iiiii
C1C2C4O 2 iiii
使单端输出电路的差模放大倍数近似等于双端输出时的差模放大倍数。
0 C2C4O iii
静态：
C2C4C3C4C1C3C2C1 IIIIIIII,，，
动态：
三、集成运放电路分析
1,读图方法
（ 1）了解用途,了解要分析的电路的应用场合、用途和技术指标。
（ 2）化整为零,将整个电路图分为各自具有一定功能的基本电路。
（ 3）分析功能,定性分析每一部分电路的基本功能和性能。
（ 4）统观整体,电路相互连接关系以及连接后电路实现的功能和性能。
（ 5）定量计算,必要时可估算或利用计算机计算电路的主要参数。
已知电路图，分析其原理和功能、性能。
2,举例,型号为 F007的通用型集成运放对于集成运放电路，应首先找出偏置电路，然后根据信号流通顺序，将其分为输入级、中间级和输出级电路。
若在集成运放电路中能够估算出某一支路的电流，则这个电流往往是偏置电路中的基准电流。
找出偏置电路双端输入、单端输出差分放大电路以复合管为放大管、
恒流源作负载的共射放大电路用 UBE倍增电路消除交越失真的 准互补输出级三级放大电路简化电路分解电路输入级的分析
T3,T4为横向 PNP型管，输入端耐压高。共集形式，输入电阻大，允许的共模输入电压幅值大。共基形式频带宽。
共集 -共基形式
Q点的稳定：
T（ ℃ ） ↑→IC1↑ IC2↑ →IC8↑
IC9与 IC8为镜像关系 →IC9↑
因为 IC10不变 →IB3↓ IB4↓ →
IC3 ↓ IC4↓→ IC1↓ IC2↓
T1和 T2从基极输入、射极输出
T3和 T4从射极输入、集电极输出输入级的分析
T7的作用,抑制共模信号
T5,T6分别是 T3,T4的有源负载，而 T4又是 T6的有源负载。
作用？
+
+
+ +
+ +
+
_
放大差模信号
+
_
_
_
特点：
输入电阻大、差模放大倍数大、共模放大倍数小、
输入端耐压高，并完成电平转换（即对“地”输出）。
中间级的分析中间级是主放大器，它所采取的一切措施都是为了增大放大倍数。
F007的中间级是以复合管为放大管、采用有源负载的共射放大电路。由于等效的集电极电阻趋于无穷大，故动态电流几乎全部流入输出级。
中间级 输出级输出级的分析
D1和 D2起过流保护作用,与输出电流采样电阻 R9,R10形成过流保护电路。 未过流时，
两只二极管均截止。
79O14BE1D RURiUU＝
iO增大到一定程度,D1导通，
为 T14基极分流，从而保护 了
T14。
准互补输出级,UBE倍增电路消除交越失真。
中间级 输出级电流采样电阻特点：
输出电阻小最大不失真输出电压高
T14－ >NPN,T18,T19－ >复合 PNP，准互补输出级（ T14和 T19相同）
判断同相输入端和反相输入端
F007所具有的高性能
Ad较大：放大差模信号的能力较强
Ac较小：抑制共模信号的能力较强
rid较大：从信号源索取的电流小（共集）
ro小：带负载能力强
Uom大：其峰值接近电源电压
输入端耐压高：使输入端不至于击穿的差模电压大。（ T3,T4为横向）
uIcmax大：接近电源电压四、集成运放的主要性能指标指标参数 F007典型值 理想值开环差模增益 Aod （无外加反馈） 106dB ∞
差模输入电阻 rid 2MΩ ∞
共模抑制比 KCMR 90dB ∞
)(lg20lg20 NP
O
od uu
uA
P
NP
id
)(
i
uur
c
od
C M R lg20 A
AK?
rid越大，从信号源索取的电流越小四、集成运放的主要性能指标指标参数 F007典型值 理想值
UIO的温漂 dUIO/dT(℃ ) 几 μV/ ℃ 0
输入失调电流 IIO 20nA 0
IIO的温漂 dIIO/dT(℃ ) 几 nA/ ℃ 0
使输出电压等于零在输入端加的补偿电压。越小，电路参数对称性越好
B2B1IO III
反映输入级差放管输入电流不对称程度。越小，运放质量越好四、集成运放的主要性能指标指标参数 F007典型值 理想值最大共模输入电压 UIcmax ± 13V
-3dB带宽 fH 10Hz ∞
转换速率 SR 0.5V/μS ∞
能正常放大差模信号时容许的最大的共模输入电压。
最大差模输入电压 UIdmax ± 30V
差模信号太大则输入级至少一个 PN结反向，超过此值输入级差分管将损坏。
上限截止频率：使 AOd下降 3dB时的信号频率
m a x
O
d
d
t
uSR?
对大信号的反应速度，每秒输出电压变化多少伏为什么这么低？ 极间、分布、寄生电容多！
四、集成运放的主要性能指标指标参数 F007典型值 理想值
开环差模增益 Aod 106dB ∞
差模输入电阻 rid 2MΩ ∞
共模抑制比 KCMR 90dB ∞
输入失调电压 UIO 1mV 0
UIO的温漂 d UIO/dT(℃ ) 几 μV/ ℃ 0
输入失调电流 IIO (│ IB1- IB2 │) 20nA 0
UIO的温漂 d UIO/dT(℃ ) 几 nA/ ℃ 0
最大共模输入电压 UIcmax ± 13V
最大差模输入电压 UIdmax ± 30V
-3dB带宽 fH 10Hz ∞
转换速率 SR(=duO/dt│max) 0.5V/μS ∞
五、集成运放的种类按工作原理电压放大型：输入量与输出量均为电压电流放大型：输入量与输出量均为电流跨导型：输入量为电压，输出量均为电流互阻型：输入量为电流，输出量均为电压按可控性可控增益：利用外加控制电压控制增益的大小选通控制：输入为多通道，利用输入的逻辑信号控制那个通道的信号放大
五、集成运放的种类按性能指标高 阻 型,rid，可高于 1012Ω。
用于测量放大器、信号发生器。
高 速 型,fH和 SR高,fH可达 1.7GHz,SR可达 103V/μS。
用于 A/D,D/A转换电路、视频放大器。
高精度型,低失调、低温漂、低噪声、高增益，
Aod高于 105dB。
用于微弱信号的测量与运算、高精度设备。
低功耗型,工作电源电压低、静态功耗小，在 100～ 200μW。
用于空间技术、军事科学和工业中的遥感遥测。
大功率型、仪表用放大器、隔离放大器、缓冲放大器 ……
通常情况下用通用型运放，特殊情况下才用专用型运放。
讨论一根据下列要求,将应优先考虑使用的集成运放填入空内 。
已知现有集成运放的类型是：
① 通用型 ② 高阻型 ③ 高速型 ④ 低功耗型
⑤ 高压型 ⑥ 大功率型 ⑦ 高精度型
1,作低频放大器,应选用 。
2,作宽频带放大器,应选用 。
3,作幅值为 1μV以下微弱信号的量测放大器,应选用 。
4,作内阻为 10MΩ信号源的放大器,应选用 。
5,负载需 5A电流驱动的放大器,应选用 。
6,要求输出电压幅值为 ± 80的放大器,应选用 。
7,宇航仪器中所用的放大器,应选用 。
① ③ ⑦ ② ⑥ ⑤ ④
清华大学 华成英
hchya@tsinghua.edu.cn
讨论二
1,输入级采用什么措施增大放大倍数？
2,中间级采用什么措施增大电压放大倍数？
3,如何消除交越失真？
4,uI1,uI3哪个是同相输入端？哪个是反相输入端？
有源负载有源负载复合管共射放大电路增大输入级的负载电阻
_ _+
_
_
_
+
+
反相输入端同相输入端增大第二级的负载电阻超 β管
（ 1）直接耦合方式，充分利用管子性能良好的一致性采用差分放大电路和电流源电路。
（ 2）用复杂电路实现高性能的放大电路，因为电路复杂并不增加制作工序。
（ 3）用有源元件替代无源元件，如用晶体管取代难于制作的大电阻。
（ 4）采用复合管。
1,集成运放的特点集成运算放大电路，简称集成运放，是一个高性能的直接耦合多级放大电路。因首先用于信号的运算，故而得名。
2,集成运放电路的组成两个输入端 一个输出端若将集成运放看成为一个“黑盒子”，则可等效为一个双端输入、单端输出的差分放大电路。
集成运放电路四个组成部分的作用输入级,前置级，多采用差分放大电路。要求 Ri大,Ad
大,Ac小，输入端耐压高。
中间级,主放大级，多采用共射放大电路。要求有足够的放大能力。
输出级,功率级，多采用准互补输出级。要求 Ro小，最大不失真输出电压尽可能大。
偏置电路,为各级放大电路设置合适的静态工作点。采用电流源电路。
3,集成运放的符号和电压传输特性 uO=f(uP-uN)
由于 Aod高达几十万倍，所以集成运放工作在线性区时的最大输入电压 (uP－ uN)的数值仅为几十～一百多微伏。
在线性区：
uO＝ Aod(uP－ uN)
Aod是开环差模放大倍数。
非线性区
(uP－ uN)的数值大于一定值时，集成运放的输出不是
＋ UOM,就是－ UOM，即集成运放工作在非线性区。
二、集成运放中的电流源电路
1,镜像电流源 T0 和 T1 特性完全相同。
B0B1B E0B E1 IIUU,
C
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2 IIIIII
RC 2 II,则若?
在电流源电路中充分利用集成运放中晶体管性能的一致性。
电路中有负反馈吗？
基准电流 =? RUVI )(
BECCR
RC 2 II
CC0C1 III
（ 1） VCC一定，要求 IC1大，则？
（ 2）要求 IC1小呢？
（ 1） IR大,R上消耗的功率大
（ 2） R大，集成电路中制作困难
2,微电流源要求提供很小的静态电流，又不能用大电阻。
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设计过程很简单，首先确定 IE0和 IE1，然后选定 R和 Re。
超越方程
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3,多路电流源
（ 1）基于比例电流源的多路电流源根据所需静态电流，来选取发射极电阻的数值。
UBE0+IE0Re0
=UBE1+IE1Re1
=UBE2+IE2Re2
=UBE3+IE3Re4
因为 UBE相差不多，故 IE0Re0≈ IE1Re1 ≈ IE2Re2 ≈ IE3Re3
（ 2）多集电极管构成的多路电流源根据所需静态电流，来确定集电结面积。
设三个集电区的面积分别为 S0,S1,S2，则
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（ 3） MOS管多路电流源根据所需静态电流，来确定沟道尺寸。
MOS管的漏极电流正比于沟道的宽长比。
设宽长比 W/L=S，且 T1～ T4的宽长比分别为 S0,S1、
S2,S3，则
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基准电流
4,有源负载
（ 1）用于共射放大电路哪只管子为放大管？
其集电结静态电流约为多少？
静态时 UIQ为多少？
为什么要考虑 h22?
b e 1b
Lc e 2c e 11 )(
rR
RrrA
u
∥∥?
（ 2）用于差分放大电路
① 电路的输入、输出方式？
②如何设置静态电流？
③静态时 iO约为多少？
④动态时 ΔiO约为 多少？
C1C3C4C2C1,,iiiii
C1C2C4O 2 iiii
使单端输出电路的差模放大倍数近似等于双端输出时的差模放大倍数。
0 C2C4O iii
静态：
C2C4C3C4C1C3C2C1 IIIIIIII,，，
动态：
三、集成运放电路分析
1,读图方法
（ 1）了解用途,了解要分析的电路的应用场合、用途和技术指标。
（ 2）化整为零,将整个电路图分为各自具有一定功能的基本电路。
（ 3）分析功能,定性分析每一部分电路的基本功能和性能。
（ 4）统观整体,电路相互连接关系以及连接后电路实现的功能和性能。
（ 5）定量计算,必要时可估算或利用计算机计算电路的主要参数。
已知电路图，分析其原理和功能、性能。
2,举例,型号为 F007的通用型集成运放对于集成运放电路，应首先找出偏置电路，然后根据信号流通顺序，将其分为输入级、中间级和输出级电路。
若在集成运放电路中能够估算出某一支路的电流，则这个电流往往是偏置电路中的基准电流。
找出偏置电路双端输入、单端输出差分放大电路以复合管为放大管、
恒流源作负载的共射放大电路用 UBE倍增电路消除交越失真的 准互补输出级三级放大电路简化电路分解电路输入级的分析
T3,T4为横向 PNP型管，输入端耐压高。共集形式，输入电阻大，允许的共模输入电压幅值大。共基形式频带宽。
共集 -共基形式
Q点的稳定：
T（ ℃ ） ↑→IC1↑ IC2↑ →IC8↑
IC9与 IC8为镜像关系 →IC9↑
因为 IC10不变 →IB3↓ IB4↓ →
IC3 ↓ IC4↓→ IC1↓ IC2↓
T1和 T2从基极输入、射极输出
T3和 T4从射极输入、集电极输出输入级的分析
T7的作用,抑制共模信号
T5,T6分别是 T3,T4的有源负载，而 T4又是 T6的有源负载。
作用？
+
+
+ +
+ +
+
_
放大差模信号
+
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_
_
特点：
输入电阻大、差模放大倍数大、共模放大倍数小、
输入端耐压高，并完成电平转换（即对“地”输出）。
中间级的分析中间级是主放大器，它所采取的一切措施都是为了增大放大倍数。
F007的中间级是以复合管为放大管、采用有源负载的共射放大电路。由于等效的集电极电阻趋于无穷大，故动态电流几乎全部流入输出级。
中间级 输出级输出级的分析
D1和 D2起过流保护作用,与输出电流采样电阻 R9,R10形成过流保护电路。 未过流时，
两只二极管均截止。
79O14BE1D RURiUU＝
iO增大到一定程度,D1导通，
为 T14基极分流，从而保护 了
T14。
准互补输出级,UBE倍增电路消除交越失真。
中间级 输出级电流采样电阻特点：
输出电阻小最大不失真输出电压高
T14－ >NPN,T18,T19－ >复合 PNP，准互补输出级（ T14和 T19相同）
判断同相输入端和反相输入端
F007所具有的高性能
Ad较大：放大差模信号的能力较强
Ac较小：抑制共模信号的能力较强
rid较大：从信号源索取的电流小（共集）
ro小：带负载能力强
Uom大：其峰值接近电源电压
输入端耐压高：使输入端不至于击穿的差模电压大。（ T3,T4为横向）
uIcmax大：接近电源电压四、集成运放的主要性能指标指标参数 F007典型值 理想值开环差模增益 Aod （无外加反馈） 106dB ∞
差模输入电阻 rid 2MΩ ∞
共模抑制比 KCMR 90dB ∞
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rid越大，从信号源索取的电流越小四、集成运放的主要性能指标指标参数 F007典型值 理想值
UIO的温漂 dUIO/dT(℃ ) 几 μV/ ℃ 0
输入失调电流 IIO 20nA 0
IIO的温漂 dIIO/dT(℃ ) 几 nA/ ℃ 0
使输出电压等于零在输入端加的补偿电压。越小，电路参数对称性越好
B2B1IO III
反映输入级差放管输入电流不对称程度。越小，运放质量越好四、集成运放的主要性能指标指标参数 F007典型值 理想值最大共模输入电压 UIcmax ± 13V
-3dB带宽 fH 10Hz ∞
转换速率 SR 0.5V/μS ∞
能正常放大差模信号时容许的最大的共模输入电压。
最大差模输入电压 UIdmax ± 30V
差模信号太大则输入级至少一个 PN结反向，超过此值输入级差分管将损坏。
上限截止频率：使 AOd下降 3dB时的信号频率
m a x
O
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uSR?
对大信号的反应速度，每秒输出电压变化多少伏为什么这么低？ 极间、分布、寄生电容多！
四、集成运放的主要性能指标指标参数 F007典型值 理想值
开环差模增益 Aod 106dB ∞
差模输入电阻 rid 2MΩ ∞
共模抑制比 KCMR 90dB ∞
输入失调电压 UIO 1mV 0
UIO的温漂 d UIO/dT(℃ ) 几 μV/ ℃ 0
输入失调电流 IIO (│ IB1- IB2 │) 20nA 0
UIO的温漂 d UIO/dT(℃ ) 几 nA/ ℃ 0
最大共模输入电压 UIcmax ± 13V
最大差模输入电压 UIdmax ± 30V
-3dB带宽 fH 10Hz ∞
转换速率 SR(=duO/dt│max) 0.5V/μS ∞
五、集成运放的种类按工作原理电压放大型：输入量与输出量均为电压电流放大型：输入量与输出量均为电流跨导型：输入量为电压，输出量均为电流互阻型：输入量为电流，输出量均为电压按可控性可控增益：利用外加控制电压控制增益的大小选通控制：输入为多通道，利用输入的逻辑信号控制那个通道的信号放大
五、集成运放的种类按性能指标高 阻 型,rid，可高于 1012Ω。
用于测量放大器、信号发生器。
高 速 型,fH和 SR高,fH可达 1.7GHz,SR可达 103V/μS。
用于 A/D,D/A转换电路、视频放大器。
高精度型,低失调、低温漂、低噪声、高增益，
Aod高于 105dB。
用于微弱信号的测量与运算、高精度设备。
低功耗型,工作电源电压低、静态功耗小，在 100～ 200μW。
用于空间技术、军事科学和工业中的遥感遥测。
大功率型、仪表用放大器、隔离放大器、缓冲放大器 ……
通常情况下用通用型运放，特殊情况下才用专用型运放。
讨论一根据下列要求,将应优先考虑使用的集成运放填入空内 。
已知现有集成运放的类型是：
① 通用型 ② 高阻型 ③ 高速型 ④ 低功耗型
⑤ 高压型 ⑥ 大功率型 ⑦ 高精度型
1,作低频放大器,应选用 。
2,作宽频带放大器,应选用 。
3,作幅值为 1μV以下微弱信号的量测放大器,应选用 。
4,作内阻为 10MΩ信号源的放大器,应选用 。
5,负载需 5A电流驱动的放大器,应选用 。
6,要求输出电压幅值为 ± 80的放大器,应选用 。
7,宇航仪器中所用的放大器,应选用 。
① ③ ⑦ ② ⑥ ⑤ ④
清华大学 华成英
hchya@tsinghua.edu.cn
讨论二
1,输入级采用什么措施增大放大倍数？
2,中间级采用什么措施增大电压放大倍数？
3,如何消除交越失真？
4,uI1,uI3哪个是同相输入端？哪个是反相输入端？
有源负载有源负载复合管共射放大电路增大输入级的负载电阻
_ _+
_
_
_
+
+
反相输入端同相输入端增大第二级的负载电阻超 β管
