通用运放、差动运放、简单运放

通用型集成运算放大器
通用型集成运算放大器有F001(BG301，5G922，μA702)、FC3(μA
709)、F007(5G24，μA741，BG308)、4E325(AD508)……多种类型，作为例子，下面介绍F007电路的组成和工作原理。

图5.3.1为F007的内部电路图，由偏置电路、输入级、中间级和输出级组成，是一个中等增益的通用型集成运算放大器。

它的主要指标为：开环差模电压放大倍数106dB(2′106)，差模输入电阻2MΩ，输出电阻75Ω，最大输出电压±13V，最大共模输入电压±13V，共模拟制比90dB(3′105)，静态电流1.7mA，静态功耗50mΩ。

图中序号为管脚号，下面分析其工作原理。

1. 偏置电路
由T10、T11和R4、R5购成的微电流源作主偏置电路，流过R5的电流为参考电流
运用式
(2.6.10)
试探求得
图5.3.1 F007型集成运放的原理电路
T 8、和T
9
为横向PNP型管，组成镜象电流源。

由IC
9
→2IC
1
→2IB
3
→IC
9
的反馈回路，可列方程组
式中b P为横向PNP型管的电流放大系数，取b P=4，列方程组时参考了式(2.6.4)。

又因T1和T2为NPN型管，其b很大，可认为I c1≈I E1，联立求解方程组，可得电流
必须指出，输入级的偏置电路本身构成反馈环，可减小零点漂移。

例如，当温度长升高时，引起I c3、I c4的增加，则产生如下的自动调整过程：
由此可见，由于I c10的恒定，上述反馈作用保证了I c3和I c4十分恒定，从而起到了稳定工作点的作用，提高了整个电路的共模拟制比。

T12和T13构成双端输出的镜象电流源，T13是一个双集电极的横向PNP型三极管，可视为两个发射结并联的三极管，集电极T13B供给T17的偏置电流，同时又作为复合管T16和T17中间放大级的有源负载；集电极T13A供给输出级的偏置电流。

T13A集电结面积小于T13B集电结面积，T13的两集电极电流分别为
IC13A≈0.18mA，IC13B≈0.5mA
2.输入级
输入级由T1~T8组成，其中T1~T4构成共集—共基单端输出差动电路，输入电阻很大，约2MW。

T5~T7为改进型电流源，作差动电路的恒流源负载，用来提高输入级的差模电压放大倍数；电流源T5~T7的另一作用是能将差动电路的单端输出变成双端输出，使输入级的差模电压放大倍数增大一倍。

下面用图5.3.2输入级的简化电路来分析其工作原理。

图5.3.2 F007输入级的简化原理电路
在差动电路的两个输入端加差模信号+V i和-V i，则T3和T4集电极电流的变化量大小相等，极性相反。

而电流源T5和T6集电极电流的变化量与T3集电极电流的变化量大小相等，极性相同。

在输出端可以得到两倍的电流变化量，输出电压的变化量也增大了一倍，因此T5~T7改进型电流源具有将差动电路的输出由单端变双端的作用。

T4为共基级电路，它的等效集电极电阻为恒流源T6的输出电阻；它的负载电阻为中间放大级T16和T17复合管构成的共发射级的输入电阻，它们的阻值都很大，因此输入级的电压放大倍数大于50dB(>320)以上。

在差动电路的两个输入端加共模信号V ic时，；如共模信号正向增大，T1集电极电压升高，T8的集射级间的电压降低，当电压降低到T8进入饱和区时，差动电路失去放大作用；如共模信号负向增大，T3集电极电压降低，T5的集射级间的电压降低，当电压降低到T5进入饱和区时，差动电路同样失去放大作用，因此输入级的最大共模输入电压大于。

3.中间级
图5.3.3为中间级和输出级的简化原理电路。

中间级由T16和T17复合管组成共发射极电路，它的等效集电极电阻为恒流源T13B的输出电阻，负载电阻为共集电极T24电路的输入电阻，它们的阻值都很大，因此中间级的电压放大倍数约50dB以上。

图5.3.3 F007中间级和输出级的简化原理电路
4.输出级
T14和T20组成互补推挽电路输出级，可以输出大的电流，利用T18、T19的发射结作二极管和R8来消除交越失真。

T24为射极输出器，起中间级与输出推挽电路之间的隔离作用，用来提高中间级的电压放大倍数。

恒流源T13A的输出电阻为T24的射极电阻。

5.过载保护电路
F007的过载保护电路由T15、T21~T23和R9、R10组成。

在正常运行时，互补推挽电路T14和T20的射极输出电流不大，R9、R10上的压降较小，不能使T15和T21导通。

当外接等效负载电阻R L非常小，或使用时不小心将输出端对地短路时，推挽电路的输出电流增大，可能将T14和T20烧坏，使整个电路报废。

例如，当正向输出电流过大时，R9上的压降增大，使T15导通，T14的基极电流减小，集电极电流也减小，保护了T14管；当负向输出电流过大时，R10上的压降增大，使T21导通，镜象电流源T23和T22导通，T16的基极电流减小，集电极电压将增大，T24的发射极电压增大，T20的发射结电压V EB减小，输出电流减小，保护了T20管。

除了上面分析的主要电路外，还有电容C c，它的作用是防止电路产生自激振荡。

(关于自激振荡的概念，在第七章介绍。

)必须注意，有些产品电容C c是接在电路内部的，有些产品电容C c应该外接。

外接电位器R p是用来调零的(称为调零电位器)，即在加上直流电源后，将两个输入端对地短路，微调R p使输出端电位为零。

用瞬时极性法可判断出输入端3为同相输入端，输入端2为反相输入端
简单的运算放大器
运算放大器的种类很多，电路也不尽一致，但在电路结构上有共同之处，大多由三级直接耦合放大器组成，原理图如图5.2.1所示。

图5.2.1 运算放大器内部组成原理图
输入级为差动电路，利用它的对称性可提高整个电路的K CMR。

中间级为共发射极电路或组合放大电路，利用它提高整个电路的电压放大倍数。

输出级一般由射极输出器或互补对称电路构成，取其输出电阻小的特点，容易与其它电路联接，还可提高输出功率。

运算放大器的电路符号如图5.2.2所示
(b) 老符号 (c) 国标符号
图5.2.2 运算放大器的电路符号
一个简单的运算放大器的原理电路如图5.2.3所示。

输入级为单端输出差动电路，输入信号可用双端输入也可用单端输入；中间级为复合管共发射极电路；输出级为复合管射极输出器，电阻R5起直流电平移动作用，保证在静态时输出端为0电位。

设某瞬间T1的基极加正向信号电压，则T2的集电极输出信号电压也为正，复合管T3和T4组成的共发射极电路，集电极输出信号电压为负，T5和T6的射极输出信号电压也为负，即输出信号电压与输入信号电压反相位，因此，V1端为反相输入端。

同理可分析V2端为同相输入端。

运用某瞬间输出电压与输入电压相位关系的分析方法，称为瞬时极性分析法，简称为瞬时极性法
图5.2.3 简单的运算放大器的原理电路
例5.4 电路如图5.2.2(a)所示，设所有三极管的β=100，r bb’=200Ω，试计算总电压放大倍数，输入电阻和输出电阻。

１静态工作点的估算
因恒流源电流I=1mA，则I c1=I c2=0.5mA
运用式
计算每个三极管的输入电阻
３计算各极的输入电阻
第三级的输入电阻
上式中的近似号表示恒流源的输出电阻很大，可看成开路。

第二级的输入电阻
第一级的输入电阻
４计算电压放大倍数
第一级的电压放大倍数，由式(5.1.16)
第二级的电压放大倍数
电压放大倍数小是因为R4有负反馈作用。

第三级的电压放大倍数
总电压放大倍数
５计算输入电阻和输出电阻
输入电阻R i=2r be1=11KΩ
输出电阻
集成运算放大器的主要参数
1.输入失调电压VIO
在集成运放的两个输入端不加信号时，输出端应该为零电位(不加调零电位器)，实际上由于元件的误差，输出端不为零电位。

为了使输出端为零，可以在两输入端之间外加电压，这个外加电压即补为失调电压V IO，其值越小越好，一般为±(1~10)mV。

2.输入偏置电流IIB
在运放的输出为零时，输入偏置电流为输入级差动电路两输入端静态电流的平均值，即I IB=(I BN+I BP)/2，一般为10nA~1mA，如图5.4.1所示。

它的大小，在电路外接电阻确定之后，主要取决于差动电路三极管的b值，如b值太小，将引起偏置电流的增加。

从使用角度来看，I IB愈小，信号源内阻变化引起的输出电压变化也愈小，故它是重要的技术指标。

图5.4.1 输入偏置电流
3.输入失调电流I
IO
是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I IO=I BP－I BN。

由于信号源有内阻，I IO会引起一输入电压，破坏放大器的平衡,使放大器输出电压不为零。

所以，希望I IO愈小愈好，一般为1nA~0.1 。

4.温度漂移
温度漂移是漂移的主要来源，而它又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。

常用下面方式表示：
(1)输入失调电压温漂DV IO/D T
是指在规定温度范围内输入失调电压V IO的温度系数，也是衡量电路温漂的重要指标。

高质量的放大器常用低漂移的器件来组成，一般约为±(10~20)mV/℃
(2)输入失调电流温漂DI IO/D T
是指在规定温度范围内输入失调电压V IO的温度系数，也是对放大器电流漂移的量度。

高质量的每度几个pA。

必须指出，上述两个参数不能用外接调零装置的办法来补偿。

5.最大差模输入电压V
idmax
是运放两个输入端所能承受的最大电压值。

它与运放输入级三极管发射结的反向击穿有关。

利用平面工艺制成的NPN管约为±5V左右，而横向三极管可达±30V发上。

6.最大共模输入电压V
icmax
是指运放作电压跟随器时，使输出电压产生1%跟随误差的共模输入电压幅值，高质量的可达±13V。

7.转换速率S
R
运放在闭环状态下大信号(如阶跃信号)输入时，输出电压对时间的最大变化速率，即
如图5.4.2所示，它主要是与运放所加的补偿电容、三极管的极间电容、以及电路的杂散电容有关。

在电容的影响下，反馈信号不能极时送回到输入端，而造成输入差动电路出现瞬时饱和或瞬时截止状态，使输出不能即时跟随阶跃电压变化。

图5.4.2 输出电压波形受转换速率限制的情况
8.开环差模电压增益A
vo
是指运放在无反馈情况下的直流差模增益，是影响运算精度的重要指标，通常用分贝表示。

9.单位增益带宽BWG和开环带宽BW
BW G是指运放在开环差模电压增益下降到0dB时的频率。

BW是指运放在开环差模电压增益下降到3dB时的频率。

除此之外，还有共模拟制比、输入电阻、输出电阻、功耗和总电流等。

差动式放大器
集成电路分为两大类：模拟集成电路和数字集成电路。

模拟集成电路有集成运算放大器、集成窄带放大器、集成功率放大器、集成乘法器、集成锁相环、集成稳压电源、集成模－数转换和集成数－模转换、还有各种专用集成电路等，其中运算放大器是运用最广泛的一种，本章只介绍运算放大器。

模拟集成电路内部元件的特点：
(1)元件的绝对值偏差大，但对称性好。

(2)电阻值<几十KΩ，大电阻用恒流源代替，或外接。

(3)电容值<几十P f，用PN结电容代替，因此在集成电路中都用直接耦合方式。

(4)将三极管的发射结或集电结短路作二极管使用。

(5)PNP型管的β<10，NPN型管的β较大。

在集成电路中还可制造出β>1000以上的晶体管，称为超b管。

(6)没有电感元件。

运算放大器都由直接耦合多级放大器组成，输入级一般均为差动电路，输出级为共集电极电路或互补推挽电路，中间级为共发射极电路或组合电路
5.1 差动式放大器
(a) 框图 (b) 差模信号和共模信号的图解
图5.1.1想差动式放大器的框图和输入信号
差动式放大器是集成电路中的主要单元电路之一，它有两个输入端，两个输出端，框图如图5.1.1(a)所示。

两个输入端的信号电压分别为v s1和v s2，两个输出信号电压为v o1和v o2，两个输入信号可以分解为差模信号和共模信号。

定义
差模信号为两个输入信号的差值，即
(5.1.1)
(5.1.2)
由上两式，两个输入信号又可以分别表示为
(5.1.3)
(5.1.4)
上式表明，两个输入信号可分解为共模信号和差模信号之代数和，如图5.1.1(b)所示。

共模信号为两个幅值相等，极性相同的信号，即
v sc=v sc1=v sc2(5.1.5) 外界干扰是加在两个输入端大小相等，极性相同的信号，另外，因温度变化引起的漂移也可等效为共模信号。

差模信号为两个幅值相同，极性相反的信号，即
(5.1.6)
差动式放大器对差模信号的放大倍数为
(5.1.7)
对共模信号的放大倍数为
(5.1.8)
5.1.1 基本差动式放大器
1. 电路组成
图5.1.2为基本差动式放大器，它由两个发射极连接在一起的共发射极放大电路组成。

要求两部分完全对称，即两只三极管的特性完全一样，两只三极管的集电极电阻的阻值相同，一般情况下两个直流电源满足|+V CC |=|-V EE | 。

R ee 为公共发射极电阻，其阻值越大越好，
一般用恒流源I
代替。

图5.1.2 为基本差动式放大器
2. 静态分析
当选用两个直流电源时，一般情况下，两管的基极静态电位为零，发射极电位为-V BE ，流过电阻R EE 上的静态电流为
(5.1.9)
两管集电极静态电流
(5.1.10)
两管集电极静态电压
(5.1.11)
两管集射极间静态电压
(5.1.12)
计算后最好检查两只三极管是否工作在放大区。

例5.1 图5.1.3为采用恒流源的基本差动式放大器，已知三只三极管的b=80，V BE =0.6V ，直流电源V CC =9V ，-V EE =-9V ，电阻R 1=5.6K Ω，
R 2=3.3K Ω，R e =27K Ω，R S =5K Ω，R C =47K Ω。

试估算静态工作点。

图5.1.3 用恒流源的基本差动式放大器
解：静态工作点的估算应从恒流源T3开始
通过计算，三只三极管都工作在放大区。

3.抑制零点漂移的原理
零点漂移(简称零漂)，就是当放大器输入端对地短路时，输出端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，如图5.1.4所示。

当温度变化而引起输出电压的变化称为温漂，常把温度升高1℃时，将输出电压的漂移折合到输入端的等效输入漂移电压作为温漂指标。

(注：所谓”折合到输入端”是将输出电压除以放大器的放大倍数，认为输出电压是由输入电压产生的。

)
图5.1.4 放大器的零点漂移
在直接耦合多级放大电路中，当第一级输出电压的缓慢变化，是作为一种信号加在第二级的输入端，经过第二级的放大，又加在第三级继续放大，因此直接耦合多级放大器必须考虑零点漂移的影响，特别是第一级的零点漂移影响最大。

而在电容耦合多级放大器中，由于电容的隔直流作用，前级的缓慢变化电压不会作为一种信号加在后级的输入端。

在差动电路中，如果两部分完全对称，两个输入端的电压缓慢变化时，两个输出端的电压缓慢变化是一致的，两个输出端电压的差值为零。

如果再考虑电阻R ee的负反馈作用，每只晶体管(即单边)的集电极电压缓慢变化，还要比输入端的电压缓慢变化小得多。

因此，差动电路能有效地拟制放大器的零点漂移。

4.主要技术指标的计算
差动电路的输入有双端输入和单端输入，输出有双端输出和单端输出，共有四种类型。

每种类型又有差模性能和共模性能，下面分别进行讨论。

(1)差模性能
(A) 双端输入双端输出的差模电压放大倍数
在图5.1.2电路中，若双端输入为差模电压为V i(为了简单，省略了差模下标d)，则每只管子的输入差模电压为V i1=-V i2=V i/2。

当电路完全对称时，T1管的射极电流为I e1，T2管的射极电流为-I e2，并有I e1=-I e2，流过R ee的电流为零，即R ee上的电压降为零，可将R ee对地短路，画交流通路如图5.1.5所示。

图5.1.5 双端输出时的交流通路
双端输出时的差模电压放大倍数
(5.1.13)
式中
(5.1.14)
上式表明，在电路完全对称时，双端输出时的差动放大电路的差模电压放大倍数与基本共发射极放大电路的电压放大倍数完全相同，可见差动电路是用成倍的元器件以换取抑制零点漂移的能力。

例5.2 电路如图5.1.3所示，已知三极管的r bb’=200Ω，R’L=47KΩ,其余参数同例5.1，试计算双端输出时的差模电压放大倍数A V和源差模电压放大倍数A vs。

解：先计算T1(或T2)的输入电阻
(B) 双端输入单端输出的差模电压放大倍数
如输出电压只取自其中一管(T1或T2)的集电极，则称为单端输出，图5.1.6为取自T1管的交流通路。

由图可得差模电压放大倍数
图5.1.6 单端输出时的交流通路
(5.1.15)
如输出电压取自T2管可得差模电压放大倍数
(5.1.16)
式中
(5.1.17)
可见，单端输出的差模电压放大倍数只有双端输出时的一半，并与输出端有关。

输出取自T1管时，输出电压与输入电压反相，输出取自T2管时，输出电压与输入电压同相。

单端输出时的差动电路常用在将双端输入信号转换为单端输出信号的电路中。

(C) 单端输入时的差模电压放大倍数
当输入信号只加在一管的输入端，另一管的输入端接地时，为单端输入差动电路，图5.1.7(a)为它的交流通路。

为了分析输入电压V i在两管输入端上的分配情况，画输入回路的等效电路图5.1.7(b)，图中r be1和r be2分别为两管的输入电阻。

由图可见，当选取R ee>>r be2
时，输入电压V i平均分配在两管的输入端上，等效于双端输入。

因此，上面分析双端输入两种形式的电压放大倍数同样适用于单端输入，即单端输入双端输出的差模电压放大倍数与式(5.1.13)相同，单端输入单端输出的差模电压放大倍数与式(5.1.15)、(5.1.16)相同。

为了使R ee>>r be2，在实际电路中，常用恒流源代替电阻R ee。

(a) 交流通路 (b) 输入
(D) 差模输入电阻
输入电阻只与输入回路有关，双端输入和单端输入的差模输入电压都是平均加在两管的输入端上，因此差模输入电阻都为
R’id=2 rbe1 (5.1.18) 例如图5.1.3电路的输入电阻
(E) 差模输出电阻
输出电阻只与输出回路有关，双端输出时的差模输出电阻为
R o=2R c(5.1.19) 单端输出时的差模输出电阻为
R o=R c(5.1.20)
(2)共模性能
当差动电路的两个输入端接入大小相等，极性相同的共模信号电压时，等效交流通路如图5.1.8所示。

(A) 双端输出时共模电压放大倍数
当两部分完全对称时
(5.1.21)
图5.1.8 共模输入时的交流通路
如果两部分不完全对称，A vc也比1小得多。

A vc的值愈小，说明差动电路的性能好。

(B) 单端输出时共模电压放大倍数
当差动电路的两个输入端接入大小相等，极性相同的共模信号电压时，T1和T2的射极电流为大小相等，极性相同，流过R ee的电流为两倍的共模信号电流。

为了保证三极管发射极电压不变，可将R ee增大一倍，分别画到两管的发射极上，等效交流通路如图5.1.9所示。

单端输出时共模电压放大倍数可用式(2.3.17)计算，即
(5.1.22)
上式表明，当选取R ee>>R c时，共模放大倍数比1小得多，说明差动电路具有拟制共模信号的能力。

图5.1.9 单端输出时共模等效交流通路
(3)共模输入电阻
(5.1.23)
(4)共模拟制比K CMR
为了说明差动放大器抑制共模信号的能力，常用共模拟制比作为一项技术指标来衡量，其定义为差动放大器对差模信号的放大倍数与对共模信号的放大倍数之比的绝对值，即
(5.1.24)
差模放大倍数越大，共模放大倍数越小，则共模拟制能力越强，差动放大器的性能越优良，因此我们希望K CMR值越大越好。

共模拟制比一般用分贝(dB)表示
(5.1.25)
对双端输出的差动放大器，K CMR近似为零。

对单端输出，利用式(5.1.22)和式(5.1.15)可得
(5.1.26)
例5.3电路如图5.1.3所示，试计算单端输出时的共模电压放大倍数A vd和共模拟制比K CMR，已知所有三极管的r ce=100KΩ。

解：先计算恒流源T3的等效输出电阻R o3
根据式(2.6.3)恒流源的等效输出电阻
计算表明，差模电压放大倍数比共模电压放大倍数大8300多倍。

5.1.2 差动放大器的传输特性(略)。