第四章 集成运算放大电路

4.1
集成运算放大电路概述
数字集成电路 模拟集成电路 集成运算放大器；集成功率放大器； 集成高频放大器；集成中频放大器； 集成比较器；集成乘法器；集成稳压 器；集成数/模或模/数转换器等。
集成电路简称 IC (Integrated Circuit)
集成电路按 其功能分
模拟集成 电路类型
集成电路的外形
在集成运放中，常用电流源电路取代RC或 Rd ，这样在电源电压不变的情况下，既可获 得合适的静态电流，对于交流信号，又可获得 很大的等效RC或Rd的。
晶体管和场效应管是有源元件，又可作 为负载，故称为有源负载。
一、有源负载共射放大电路
rce2
Rb2 Rb1
T
1.电路图 3.动态分析
2.静态分析（求参考电流，略）
uI1
T1
T3 T7 T5 T6 T8 T2 T9
+VCC IC9
uI2 I3,4
T4 集电极送出单 端输出信号至中间级。 RW 调零电阻，R 外接电阻。
T7 与R2 组成射极 输出器。
T4
uO R3
IC10
VEE
R1
RW
R2 R
图 4. 3. 1-2
若暂不考虑 T7 和调零电路则电路可简化为：
4.2.2 改进型电流源电路
问题：基本电流源电路在很小时， IR和 IC2 相差很大。 为了减小基极电流的影响，提高输出电流与基 准电流的传输精度，稳定输出电流，可对基本 电流源电路进行改进。 VCC 一、加射极输出器 的电流源
R
IREF
IB
T3
IC2 T2
IC1
T1 Re3
由于增加了T3，使IC2 更 加接近IREF（如何证明）
VCC VCC U BE12 U BE11 I REF R5
≈0.73mA
IR U T ln I C10 R4 I C10
IC10≈28uA
I C13 I C12 I R 2 ≈0.52mA
图4.2.9
F007中的电流源电路
4.2.4 以电流源为有源负载的放大电路
二、电路原理图
图 4.3.1
F007 电路原理图
1. 偏置电路
基准电流：
I REF VCC VEE U BE12 U BE11 R5
T8
T9 T12
+VCC
T13
I8
至输入级
I3,4 IC9 R IC10 5
T10
T11
IREF
IC13
基准电流产生各放 大级所需的偏置电流。 各路偏置电流的关系：
第 三 版 童 诗 白
本章讨论的问题：
1.什么是集成运算放大电路？将分立元件直接耦合放 大电路做在一个硅片上就是集成运放吗？集成运 放电路结构有什么特点？ 2.集成运放由哪几部分组成？各部分的作用是什么？ 3.如何设置集成运放中各级放大电路的静态工作点？ 第 三 版 童 诗 白 4.集成运放的电压传输特性有什么特点？ 5.如何评价集成运放的性能？有哪些主要指标？ 6.集成运放有哪些类型？如何选择？使用时应注意哪 些问题？
(1). T1、T2 共集组态，具有 较高的差模输入电阻和共模输入 uI1 电压。 (2). 共基组态的 T3、T4，与 有源负载 T5、T6 组合，可以得到 很高的电压放大倍数。
+VCC I8 uI2
T1
T2
T3
T4
uO
RC
I3,4
RC
(3). T3、T4 共基接法能改善频率响应。
VEE 图 4.3.1.2 简化示意图
四、偏置电路 电流源电路，为各级提供合适的静态工作点。
4.1.3 集成运放的电压传输特性
uO uN uP Aod uO uP-uN
+
图 4.1.2
集成运放的符号和电压传输特性
集成运放的两个输入端分别为同相输入端uP和反向输入端uN。
电压传输特性
uO=
f(uP-uN)
集成运放的工作区域 线性区域：
(a)双列直插式
(b)圆壳式
(c)扁平式
集成电路的外形
4.1.1 集成运放的电路结构特点 一. 对称性好，适用于构成差分放大电路。 二. 集成电路中电阻，其阻值范围一般在几十欧到几 十千欧之间，如需高阻值电阻时，要在电路上另想办法。 三. 在芯片上制作三极管比较方便，常常用三极管 代替电阻(特别是大电阻)。 四. 在芯片上制作比较大的电容和电感非常困难， 电路通常采用直接耦合电路方式。 五. 集成电路中的 NPN 、 PNP管的 值差别较大， 通常 PNP 的 ≤ 10 。常采用复合管的形式。
I E1 R1 I E 2 R2
R
+VCC IREF
2IB
IC2 IB2 + T2 UBE2 R2
IC1 T1 R1
IB1
+ UBE1
忽略基极电流，可得
I C2 R1 R1 I C1 I REF R2 R2
图 4.2.2
比例电流源
两个三极管的集电极电流之比近似与发射极电阻的 阻值成反比，故称为比例电流源。
IREF
VCC R IC1
T1 T2
IB3
T3
IC2
IC2=IC1=IREF-IB3
=IREF-IE3/(β +1) Re2 2IC 2 2I B 2 I REF I REF 1 ( 1) 图4.2.4加射极输出器的电流源 I REF IC 2 I REF 1 1 ( 1) 缺点： 1. 受电源波动影响大；
I C1 I C2 E1 U T (ln ln E2 ) I S1 I S2 I C 2 Re
I S1 I S 2
I C1 U T ln I C2 Re I C2
若 IC1和 IC2 已知，可求出 Re。
复习：
1.集成运放的电路结构特点？
2.集成运放的组成部分？
输入级常用什么结构？ 输出级常用什么结构？ 3.集成运放的二个工作区域？各自特点？
+VC
Rc
T1
+ uo
T2
Rc uI2
R
C
I
VEE
图4.2.11 有源负载差分放大电路
4.3
集成运放电路简介
双极型集成运放 F007
典型的集成运放
CMOS 集成运放 C14573
(b) 连 接 示 意 图
4.3.1 双极型集成运放 F007
(a)
8
一、引脚
7
6
5
1
2
3
4
F007 的引脚及连接示意图
பைடு நூலகம்
1 (rce1 // rce2 // RL ) AU R r AU

1 RL
b
be1
Rb rbe
二、有源负载差分放大电路
1.电路图
2.静态分析 3.动态分析
放大电路采用差分输入、 单端输出；工作电流由恒 流源 I 决定；输出电流 io = ic4 ic2 = 2ic4 利用镜像电流源 可以使单 端输出差分放大电路的差 模放大倍数提高到接近双 端输出的情况。 +R uI R
如β＝10
IC2=0.982 IREF
2.电流最低至mA级。
增加电阻Re2 目的是使IE3增大。
二、威尔逊电流源
T1管的c--e串联在T2管的发 射极，其作用与典型的工作 点稳定电路中的Re相同。
+VCC
IC0
IC
公式推导（略） 2 I C 2＝（ 2 1 ）I R I R 2 2
问题：IR如何计算？
多集电极管构成的 多路电流源
当基极电流一定时，集电极 电流之比等于它们的集电区 面积之比。
图4.2.7 多集电极管构成的多路电流源
MOS管多路电流源
设沟道宽长比W/L＝S
漏极电流之比正比于沟道 的宽长比。
图4.2.8 MOS管多路电流源
例4.2.1 图4.2.9所示电路是F007的电流源部分。 其中T10与T11为纵向NPN管； T12与T13是横向PNP 管，它们的β为5，b-e间电压值约为0.7V，试求各 管的集电极电流。 解
第四章
4.1 4.2
集成运算放大电路
集成运算放大电路概述 集成运放中的电流源电路
4.3
第 三 版 童 诗 白
集成运放电路简介
集成运放的指标及低频等效电路
4.4
4.5
4.6
集成运放的种类及选择
集成运放大的使用
本章重点和考点：
1.集成电路的特点。 2.偏置电路（电流源）的作用、分类及计算。 3.理想集成运算放大电路（IC）的性能指标。
当β＝10
IR
R
IC2
IC2=0.984 IR
图4.2.5
威尔逊电流源
可见，在β很小时，也可认为IC2= IR 。 IC2受基极电流影响很小。
问题：IR如何计算？
4.2.3 多路电流源
电路图
R IREF
VCC
公式推导
IC= IE ＝IREF - ∑ IB/(β+1)
IC T
T0
∑IB
IC1
IC2
IC3
二、威尔逊电流源
T1管的c--e串联在T2管的发 射极，其作用与典型的工作 点稳定电路中的Re相同。
+VCC
IC0
IC
公式推导（略） 2 I C 2＝（ 2 1 ）I R I R 2 2
当β＝10
IR
R
IC2
IC2=0.984 IR
图4.2.5
威尔逊电流源
可见，在β很小时，也可认为IC2= IR 。 IC2受基极电流影响很小。
输出电压与其两个输入端的电压 之间存在线性放大关系，即
uO
+UOM
uP-uN
-UOM
u Aod (uP u N )
O
Aod为差模开环放大倍数
非线性区域：
输出电压只有两种可能的情况： +UOM或-UOM
UOM为输出电压的饱和电压。
4.2
集成运放中的电流源电路
集成运放电路中的晶体管和场效应管除了作为 放大管外，还构成电流源电路，为各级提供合 适的静态电流; 或作为有源负载取代高阻值电阻，从而增大放 大电路的电压放大倍数。
4.1.2
集成运放电路的组成及其各部分的作用
实质上是一个具有高放大倍数的多级直接耦合放大电路。
+ uid
输入级 中间级 输出级
uo
偏置电路
图 4.1.1 一、输入级 二、中间级 三、输出级
集成运算的基本组成
差分电路，大大减少温漂。
采用有源负载的共发射极电路，增益大。 互补对称 电路，带负载能力强
R8
T15

T16 T17
VEE
图 4.3.1-3
中间级示意图
4. 输出级
图 4.2.3 微电流源
基本关系
U B E1 U B E2 I E 2 Re I C2 Re
R
+VCC IREF
因二极管方程
IC1
2IB
IC2
I E I S (e C
U BE 1 U BE 2
U BE UT
1) I Se
U BE UT
T1
T2 Re 图 4.2.3 微电流源
IREF
I11
微电流源
至中间级
R4 图 4.3.1-1 I3, 4 IC9 VCC F007 的偏置电路
IC10
镜像电流源
IC8
输入级
IC12
镜像电流源
IC13
中间级
输出级
2. 输入级 T1、T2、T3、T4 组成共集 - 共基差分放大电路； T1、T2 基极接收差分输入信号。 T5、T6 有源负载；
4.2.1 基本电流源电路
一、镜像电流源 (电流镜 Current Mirror)
基准电流 VCC UBE1 I REF R 由于 UBE1 = UBE2，T1与 T2 参数基本相同，则 IB1 = IB2 = IB；IC1 = IC2 = IC
+VCC R
IREF
2IB IB1 + UBE1
(4). 该电路具有共模负反馈，能减小温漂，提高共模 抑制比。
3. 中间级
输入来自 T4 和 T6集电
极；
输出接在输出级的两个 互补对称放大管的基极。 中间级 T16、 T17 组成 复合管， T13 作为其有源 负载。 8、9两端外接30pF 校正电容防止产生自激振荡。

R7
30pF
IC13
+VCC
当β较大时 IC=IREF 由于各管的β， UBE相同， IERE≈IREFRE=IE1RE1
=IE2RE2=IE3RE3 所以
T1
T2 Re2 Re3
T3
IE
Re
Re1
图4.2.6基于图4.24的多路电流源
IC1≈IE1=IREFRE/RE1 IC2≈IE2=IREFRE/RE2 IC3≈IE3=IREFRE/RE3
I C2
R1 R I C1 1 I REF R2 R2
三、微电流源
在镜像电流源的基础上 接入电阻 Re。 引入Re使 UBE2 < UBE1， 且 IC2 << IC1 ，即在 Re 值不 大的情况下，得到一个比较 小的输出电流 IC2 。
R
+VCC IREF 2IB
IC2
IC1 T1
T2 Re
IC2 IB2 + T2 UBE2 图 4.2.1
IC1
T1
I C 2 I C1 I REF 2 I B I REF 2
所以 I C 2 I REF
1 1 2
I C2
当满足 >> 2 时，则


I C 2 I REF
VCC U BE1 R
二、比例电流源
由图可得 UBE1 + IE1R1 = UBE2 + IE2R2 由于 UBE1 UBE2 ，则