第五章 集成电路运算放大器

模拟电子技术基础欢迎学习5.1集成运算放大器概述5.2电流源电路5.3差分放大电路

第五章集成运算放大器5.4集成运算放大器5.1集成运算放大器概述集成电路简称IC(IntegratedCircuit)集成电路按其功能分数字集成电路模拟集成电路模拟集成电路类型集成运算放大器；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。集成电路的外形集成电路的外形(a)双列直插式(b)圆壳式(c)扁平式集成运算放大器结构特点一.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。

集成运算放大器集成运算放大器概述

集成运算放大器是一种高电压增益、高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大电路，一般由四部分组成：输入级：一般是差动放大器，利用其对称特性可以提高整个电路的共模抑制比和电路性能，输入级有反相输入端“-”、同相输入端“+”两个输入端；中间级：的主要作用是提高电压增益，一般由多级放大电路组成；输出级：一般由电压跟随器或互补电压跟随器所组成，以降低输出电阻，提高带负载能力。偏置电路：是为各级提供合适的工作电流。此外还有一些过载保护电路及高频补偿环节等辅助环节。集成电路的几种外形集成运算放大器图符号∞＋＋－U0U+U-简化电路符号集成运算的主要技术指标(1)开环电压放大倍数Au指集成运放工作在线性区，接入规定的负载，无负反馈情况下的直流差模电压增益。集成运放的Au一般很高，约为104～107；(2)差模输入电阻ri和输出电阻r0集成运放的差动输入电阻很高，可高达几十千欧和几十兆欧；由于运放总是工作在深度负反馈条件下，因此其闭环输出电阻很低，约在几十欧至几百欧之间；(3)最大共模输入电压Uicmax指运放两个输入端能承受的最大共模信号电压。超出这个电压时，运放的输入级将不能正常工作或共模抑制比下降，甚至造成器件损坏。(4)共模抑制比KCMR理想集成运算及其传输特性

为简化分析过程，同时又能满足实际工程的需要，常把集成运放理想化，集成运放的理想化参数为：Au=∞、ri=∞、r0=0、KCMR=∞。根据集成运放的实际特性和理想特性，可画出相应的电压传输特性。可以看出，当集成运放工作在线性区（+U0M~－U0M)时，其实际特性与理想特性非常接近；由于集成运放的电压放大倍数相当高，即使输入电压很小，也足以让运放工作在饱和状态—使输出电压保持稳定。理想特性集成运放的电压传输特性u0(V)ui(mV)0＋U0M－U0M实际特性电流源

镜像电流源

多路电流源

电流源用作有源负载

微电流源

概述

BJT基本电流源

比例电流源学习要求

会计算电流源的输出电流（求Q）

能辨认电路（电流源结构的变化规律）

第五章集成运算放大器

概述直流电阻小交流电阻大恒流源：Rs=

，iO=Is

，与RL无关

三极管工作在放大区，其输出特性具有恒流特性。易受温度影响特点：分析任务

确定电流源的输出电流，并提高计算精度

提高输出电阻Ro1.BJT基本电流源

三极管电流源——分压式射极偏置电路在满足条件I1>>IB；VB>>VBE时电流源内阻Rs=R’o（输出电阻）R’oRL与Rc无关，且能稳定Q（温度影响）2.比例电流源提高计算精度满足条件：I1>>IBVB>>VBE

增加1个二极管D

并使D与T（Je）具有相同的温度特性（补偿）

即：

VD=VBE所以，在Je回路有：VD+I1Rb2=VBE+ICRe比例电流源集成电路中，DT1BJT基本电流源特殊状态思路：VCC=0IC=0VBBIC

0VBBTBJT电流源接法与放大电路接法比较3.镜像电流源思路：比例系数＝1比例电流源去掉2个电阻，减少占用硅片面积2IB求

IC2=?对管T1与T2特性相同（温度补偿）假设T1处于放大区（问题？）对T1的C点列KCL方程：镜像3.镜像电流源思路：提高精度问题1问题2VCE1=VBE10.6VVCE2但仍造成：IC2

IC1虽有：VBE2=VBE1；

2=

1修正如下：考虑基区宽度调制效应带缓冲级的镜像电流源3.镜像电流源问题2思路：提高精度若

较小，则分流造成的误差不能忽略！解决方法：增加1个缓冲级T3

即共集放大器，减小分流。为了避免T3的电流过小而使

3下降，常常加入电阻Re3

，使IE3增大。同样对T1的C点列KCL方程：IC2相当于IREF的镜像

镜像电流源IC2≈IREF＝（Vcc—VBE）/R≈Vcc/R∴IC1＝IREF–2IB≈IREF设T1﹑

T2参数完全相同。β1=β2，ICEO1=ICEO2，VBE1=VBE2，

IE1=IE2，IC1=IC2存在问题：当β不够大时，IC2与IREF差异较大改进∵β较大，IB=IC/β＜＜IC

，IC1≈IC2RRcT1T2Vcc2IBIREFIC1IE1IC2IREFIC1IC2IBT1T2RVccT3IB2IB1IC2≈IREFIC2与IREF互为镜像镜像电流源改进电路：镜像电流源电路适合用于较大工作电流（mA级）的场合，若需要IC2↓→R↑，在集成电路中不易实现。故推出微电流源（μA级）4.微电流源思路：产生

A级电流例如：VCC=10V，IC2=1A，则

R=10M。需占用硅片面积大解决方法：。。。例：已知VCC=15V，IR=1mA，IC2=20A，VBE1=0.7V，则由(2)得R=15k；由(1)得Re2=5k。计算方法：

微电流源IREFIC1IE2IC2RRe22IBT1T2Vcc∴IE2Re2=VBE1－VBE2∵IE2Re2+VBE2=VBE1（KVL方程）IE2=（VBE1－VBE2）/Re2

IC2≈IE2∵

⊿VBE的数值很小∴

IC2亦很小，故称为微电流源IREF＝（Vcc—VBE）/R≈Vcc/R

当电流变化时→IREF变化→⊿VBE变化很小→IC2变化很小（远小于IREF的变化）∴IC2较稳定5.多路电流源带缓冲级的比例电流源小结

——

电流源结构的变化电流源用作有源负载(1)用于提供静态电流并能稳定静态工作点，这对直接耦合放大器是十分重要的。(2)用作有源负载，可获得增益高的特性。共射电路的电压增益为：电流源的作用：例：共射放大电流源作有源负载后比用电阻Rc作负载时提高了

电流源用作有源负载RT2VccT1T3VOVIIREF特点：直流电阻小，交流电阻很大提高交流放大倍数而不影响静态工作点亦常用作射级负载电流源用作集电极负载放大电路如图所示。各三极管都有

=49，VBE=0.7V。例：(1)试简要说明各三极管的作用；(2)计算电路的电压放大倍数（电容的容抗可忽略不计）。第一级放大电路输入

输出第二级放大电路第n级放大电路……第n-1

级放大电路功放级多级放大电路一级放大器放大倍数不够，需要多级级联。放大倍数满足要求，输入电阻或输出电阻不满足要求，也需要级联。多级放大电路还可以展宽放大器的通频带，提高稳定性，改善高频特性等。1.怎样级联？2.多级放大器性能指标如何计算？为什么需要多级放大电路？输入级→输入电阻高，噪声和漂移小。对各级电路的要求：输出级→动态范围大，输出功率大，带载能力强。中间级→具有足够大的放大能力。多级放大电路的组成输入级中间级输出级单级放大器常常采用电容进行信号的耦合放大电路中的信号耦合技术单级放大器中的耦合技术耦合：即信号的传输方式。耦合方式：电容耦合；变压器耦合；光电耦合；直接耦合。多级放大电路对耦合电路要求：①

静态：保证各级Q点设置②

动态:传送信号。要求：波形不失真，减少压降损失。

一.多级放大电路耦合技术1.直接耦合→将后级电路通过导线直接与前级相连优点：①电路中没有电容和变压器，易于集成。

②能放大交流信号，同时也能放大直流或缓变信号。缺点：①各级静态工作点Q相互影响，分析、设计和调试困难；

②前后级的直流电平需匹配；

③存在着严重的零点漂移现象。直接耦合两个特殊问题：①前后级的直流电平需匹配；②存在着严重的零点漂移现象。RC1RC2T2RB_vi+VCCRL+_vo+T1级间电平配置常用的解决方法提高后级射极电位电平移位+VCC

T2RERC2RC1RBT1RzDZ+VCC

T2RERC2RC1RBT1两种管子互补+VCC

T2RC2RE2RC1RB1T1–VCC

级间电平配置常用的解决方法零点漂移问题的解决方法

当输入vi=0时，输出电压vO并不恒定，而是出现缓慢的、无规则的漂动。这种现象称为零点漂移，简称零漂。零漂实质上就是放大电路静态工作点的变化引起零漂的主要原因→(a)

元器件参数，特别是晶体管的参数会随温度的变化而变化。(b)元器件会出现老化，参数发生了变化。

由温度引起的零漂称为温漂由元器件老化引起的零漂称为时漂引起直接耦合放大电路零漂的主要因素是温漂零漂1.引入直流负反馈2.采用差动放大电路抑制零点漂移的常用方法→2.电容耦合→将后级电路通过电容器与前级相连RC1RC2T2RB1vi+VCCRL+_voT1RB2++++_C1C2C3缺点：①耦合电容隔断直流，不能放大直流信号，且当信号频率较低时，放大倍数下降。

②耦合电容容量大，不易集成。优点：各级之间直流通路不相通，Q点相互独立；设计、计算、调试方便。3.变压器耦合→将后级电路通过变压器与前级相连CE1RE1T1Tr1Tr2CB1vi+_CE2RE2T2RL+_voTr3+VCCRB11++RB12++RB21RB22CB2优点：①前后级靠磁路耦合，各级Q点相互独立；

②可进行阻抗变换，实现功率匹配，从而使后级或负载上得到最大功率。缺点：①低频特性差；

②变压器体积大、笨重、贵，更不能集成化，只能用于分立元件放大电路。变压器耦合多级放大电路的主要特点4.光电耦合

光电耦合器是将发光元件（发光二极管）与光敏元件（光电三极管）相互绝缘地组合在一起：发光元件为输入回路，它将电能转化成光能；光敏元件为输出回路，它将光能再转换成电能，实现输入与输出电路的电气隔离，从而可有效地抑制电干扰。→以光信号为媒介来实现电信号的耦合和传递图3.34光电耦合器及其传输特性

光电耦合放大电路复合管→达林顿管作用：提高电流放大系数，增大电阻rbeibib2ic1ic2icie同类型管子组成的复合管复合管→达林顿管作用：提高电流放大系数，增大电阻rbe互补型复合管两个不同类型的管子组成的复合管，等效后管子的类型取决于第一个管子的类型。组成复合管的原则：管内电流方向要一致直接耦合放大电路的静态分析RC1RC2T2RB_vi+VCCRL+_vO+VBBT1+_+_+_+_

阻容耦合、变压器耦合的各级Q点相互独立，分析方法与前述的单级放大电路的方法相同。这里只对直接耦合电路进行静态分析。令输入电压vi=0RC1RC2T2RB_vi+VCCRL+_vO+VBBT1+_+_+_+_在输入回路→IBQ2、ICQ2

、IEQ2在一、二级之间联立求解可得VCEQ2

、Io在输出回路后级放大器的输入电阻是前级放大器的负载；前级放大器的输出电路是后级放大器的信号源。图3.36多级放大器的通用小信号模型1.电压放大倍数二.多级放大器交流性能指标的计算2.输入电阻注意：在计算Ri1

时要把后一级的输入电阻作为第一级的负载电阻来考虑。3.输出电阻注意：在计算Ron时要把前一级的输出电阻作为它的信号源内阻来考虑。→多级放大器的输入电阻Ri就是第一级放大器的输入电阻Ri1。→多级放大器的输出电阻Ro，就是最末级放大器的输出电阻Ron。电路结构1.共射-共基（CE-CB）组合放大电路交流通路①输入电阻三.BJT组合放大器的计算③电压放大倍数其中，第二级CB放大器的输入电阻：

若两管的小信号参数相同，则表明：CE-CB组合放大电路的电压放大倍数与单级CE放大器相同。

②输出电阻2.共集-共基（CC-CB）组合放大电路CC-CB放大电路的交流通路①输入电阻其中:②

输出电阻③

电压放大倍数

若两管小信号参数相同，而且通常设计RE>>Ri2，则：

表明：CC-CB组合放大电路的电压放大倍数只是单管CE放大器的一半；但由于CC和CB组态的高频性能都优于CE状态。所以，它们的组合放大电路的高频特性会比CE放大器好。3.共射-共集（CE－CC）组合放大电路①输入电阻②输出电阻其中③电压放大倍数其中4.共集-共射（CC-CE）组合放大电路CC组态大的Ri1→提高源电压增益CC组态小的Ro1→减小CE组态的时间常数→扩展了通频带差分式放大电路线性放大vi1vi2vovo=AVD（vi1－vi2）差模电压增益

直接耦合放大电路的零点漂移问题

1、概述

电路组成及工作原理

抑制零点漂移原理

2、基本差分式放大电路

主要指标分析计算

几种方式指标比较

差分式放大电路

差分的基本概念1.差模信号：vid=vi1－vi22.共模信号：vic=（vi1+vi2）/2可以看出：①差模信号是在两输入端各加入了一个大小相等，方向相反的信号。②共模信号是在两输入端各加入了一个大小相等，方向相同的信号。在差模共模信号同时存在的情况下（用叠加原理）vO=AVDvid+AVCvicAVD=vod/vidAVC=voc/vic其中：称为差模电压增益称为共模电压增益vi1=vic+vid/2vi2=vic－

vid/21.差分的基本概念

差模与共模：+-vi1+-vi2+-vo+-vid-+差模信号共模信号总输出电压差模电压增益共模电压增益共模抑制比反映抑制零漂能力例：

分析思路：叠加定理测试—选择填空1.差分放大电路中，当Vs1=300mV，Vs2=200mV时，分解为共模输入信号Vsc=

，差模输入信号Vsd=

。

a.500mVb.100mVc.250mVd.50mV3.在单端输出差分放大电路中，差模电压增益AVd=50，共模电压增益AVc=–0.5，若输入电压Vs1=80mV，Vs2=60mV，输出电压Vo2=

。

a.–1.035Vb.–0.965Vc.0.965Vd.1.035VVo2=Avd×Vsd+Avc×Vsc=50×20mv–0.5×70mv=1000mv-35mv2.差分放大电路中，当Vs1=200mV，Vsd2=0mV时，分解为共模输入信号Vsc=

，差模输入信号Vsd=

。2.直接耦合放大电路的零点漂移问题

直接耦合放大电路

零点漂移问题可以放大直流信号#集成运算放大器要采用直接耦合？零漂：输入短路时，输出 仍有缓慢变化的电压产生。主要原因：温度变化引起，也称温漂。温漂指标：温度每升高1度时，输出漂移电压按电压增益折算到输入端的等效输入漂移电压值。电源电压波动也是原因之一没有电容、变压器A1vivo103A2vivo105？思考题答：两个放大电路是否都可以放大0.1mV的信号？增加了Re电压增益输出漂移电压均为200mV输出漂移电压均为200mV输入端漂移电压为0.2mV输入端漂移电压为0.002mVA1不可以，A2可以例如若第一级漂了100uV，则输出漂移1V。

若第二级也漂了100uV，则输出漂移10mV。假设

第一级是关键！

减小零漂的措施

用非线性元件进行温度补偿

调制解调方式。如“斩波稳零放大器”

采用差分式放大电路漂了100uV漂移

10mV+100uV漂移1V+10mV漂移1V+10mV

基本差分式放大电路电路组成及工作原理组成特点静态分析动态分析（定性）输入差模信号输入共模信号抑制零点漂移原理主要指标分析计算动态分析思路双端输入差模增益共模增益共模抑制比输入、输出电阻单端输入带恒流源的差分电路几种接法性能对比

基本差分式放大电路基本差分电路（长尾）带恒流源的差分电路教材上的差分电路

基本差分式放大电路vo=vo1

vo2=Av1vi1

Av2vi2vo=Avd(vi1

vi2)

AV1=

AV2

（对管）原因之二对称

VC1=

VC2

vo=VC1-

VC2=0

克服温漂(3)公共射极电阻Re组成特点(1)直接耦合的共射电路(Rb,Rs)(2)两边对称单端输出公共Re对差模信号相当于短路1.电路组成及工作原理

基本差分式放大电路注意：静态分析1.电路组成及工作原理电路对称T放大的条件：Je正偏、Jc反偏vi1=vi2=0（静态）

Je正偏

T放大

Jc反偏vo=VC1-

VC2=0

实现：0输入

0输出iC1=

iC2=IC=IO/2输入：vi1=

vi2=0

静态分析（差、共摸相同）输出：

vo=VC1－VC2=0输入信号电压vid=vi1－vi2=0输出亦为0VBE1=VBE2=

0。7V

VCE1=VCE2=VCC－ICRC+0。7V

（VE=0。7V

）IoiC2iC1C1C2eb1b2Rc1Rc2vo1T1T2+Vccvo2vE－VEEvi1vi2++－－rO基本差分式放大电路动态分析——输入差模信号1.电路组成及工作原理大小相等，方向相反另外：Re相当于短路

iE=0动态分析——输入共模信号

基本差分式放大电路1.电路组成及工作原理大小相等，方向也相同另外：Re相当于2Re

iE=2

iE1=2

iE23.主要指标分析计算

基本差分式放大电路动态分析思路（1）小信号等效电路法（2）运用叠加原理（3）利用对称特点， 转化为单边电路求解。（4）四种接法a.双端输入、双端输出b.双端输入、单端输出c.单端输入、双端输出d.单端输入、单端输出电阻Re和RLRc1Rc2T1T2iC2iC1C1C2b1b2vi1=vid/2++－－vi2=－

vid/2++－+vo1vo2－－vo动态分析①当vi1=-vi2=vid/2时称为差模输入一管电流将增加，一管电流将减小vo=vC1－vC2≠0输出为vid=vi1－vi2

Rc1Rc2T1T2iC2iC1C1C2b1b2vi1=vid/2++－－vi2=－

vid/2++－+vo1vo2－－vo动态分析②当vi1=vi2=vic时称为共模输入两管电流将同时变化vo=vC1－vC2=0输出为0

双端输入

——差模增益3.主要指标分析计算6.2.1基本差分式放大电路

输入纯差模信号

电路两边对称

电路变换（拆开、转换为单边电路）Re短路RL各分一半

画小信号等效电路（一般不画）双端输入

——共模增益3.主要指标分析计算6.2.1基本差分式放大电路

输入纯共模信号

电路两边对称

电路变换（拆开、转换为单边电路）Re对单边相当于2ReRL开路

画小信号等效电路（一般不画）双端输入

——共模增益3.主要指标分析计算6.2.1基本差分式放大电路

双入双出双入双出

双入单出RL开路RL由T1单独负担双入单出Re对单边相当于2Re双端输入——共模抑制比3.主要指标分析计算6.2.1基本差分式放大电路双入双出双入单出

双入双出

双入单出

公共电阻Re

KCMR

抑制零漂能力增强双端输入

——输入、输出电阻3.主要指标分析计算单端输出时:双端输出时:单端输入3.主要指标分析计算

基本差分式放大电路例如：

指标计算与双端输入相同！4.具有电流源的差分放大电路基本差分式放大电路（RL

均为10k

）先求Q点：比例电流源ro3例题1已知：

=60、VBE=0.6V、rce=100k

。设调零电位器RP的动端在中间位置。(1)双端输出的AVD、KCMR

；(2)单端vo2输出的AVD2、KCMR2；(3)Rid

、Ric；求：解：(1)双端输出的AVD、KCMR

；交流通路解：例题1差模交流通路共模交流通路差模交流通路例题1解：(2)单端vo2输出的AVD2、KCMR2；共模交流通路例题2

=50、VBE=0.6V、rce5=200k

。求：(1)差模输入电阻Rid、输出电阻Ro、差模电压增益；(2)共模输入电阻Ric和共模抑制比KCMR。5.几种接法性能对比输出方式双出单出双出单出5.几种方式指标比较输出方式双出单出双出单出FET差分式放大电路与共源电路相同1.电路组成2.差模增益3.差模输入电阻end

差分式放大电路的传输特性图中纵坐标为end

集成运算放大器

集成运放是一种高放大倍数、高输入电阻、低输出电阻的直接耦合放大电路。为了抑制零点漂移,所以对温漂影响最大的第一级毫无例外地采用了差动放大电路。为了提高放大倍数,中间级一般采用有源负载的共射放大电路。输出级为功率放大电路(将在第九章中讲述),为提高此电路的带负载能力,多采用互补对称输出级电路。一、输入级差分电路，大大减少温漂。二、中间级采用有源负载的共发射极电路，增益大。三、输出级

互补对称电路，带负载能力强四、偏置电路电流源电路，为各级提供合适的静态工作点。输入级偏置电路中间级输出级+

uouid集成运算放大器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。图集成运算的基本组成

偏置电路

输入级V8和V9不仅是镜像电流源,而且还与V10、V11组成微电流源构成共模负反馈环节以稳定IC1、IC2,从而提高整个电路的共模抑制比。其过程如下:(因为IC10是恒定电流)

中间级

输出级和过载保护

集成运放的性能指标1.开环差模电压放大倍数Aod

Aod是指集成运放在无外加反馈回路的情况下的差模电压放大倍数,即

对于集成运放而言,希望Aod大,且稳定。目前高增益集成运放的Aod可高达140dB(107倍),理想集成运放认为Aod为无穷大。2.最大输出电压Uop-p

集成运放的电压传输特性图

集成运放的符号和电压传输特性uO=

f(uP-uN)+AoduPuNuOuOuP-uN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uOuP-uN集成运放的工作区域线性区域：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-UOMUOM为输出电压的饱和电压。+UOM-UOM3.差模输入电阻ridrid的大小反映了集成运放输入端向差模输入信号源索取电流的大小。要求rid愈大愈好,一般集成运放rid为几百千欧至几兆欧,故输入级常采用场效应管来提高输入电阻rid。4.输出电阻roro的大小反