6 模拟集成电路 6.1 模拟集成电路中的直流偏置技术 6.2 差分式放大电路 6.3 差分式放大电路的传输特性 6.4 集成电路运算放大器 6.1 模拟集成电路中的直流偏置技术 6.2 差分式放大电路 6.3 差分式放大电路的传输特性 6.4 集成电路运算放大器 6.5 实际集成运算放大器的主要参数和对应 用电路的影响

学习指导 引言：在半导体制造工艺的基础上，将整个电路中的元器件制作在一块硅基片上，构成特定功能的电子电路，称为集成电路。 其体积小，而性能却很好。集成电路按其功能来分，有模拟集成电路和数字集成电路。模拟集成电路的种类繁多，其中集成运算放大器（简称集成运放）是应用极为广泛的一种。本章首先讨论组成集成运放的基本单元电路，接着介绍典型集成运放电路以及集成运放的主要指标参数，最后简介几种专用型集成运放。 课内学时：

学习目标 1.了解电流源的构成、恒流特性及其在放大电路中的作用。 2.正确理解直接耦合放大电路中零点漂移（简称零漂）产生的原因，以及零漂指标的定义方法。 3.熟练掌握差模信号、共模信号、差模增益、共模增益和共模抑制比的基本概念。 4.熟练掌握差分放大电路的组成、工作原理以及抑制零点漂移的原理。 5.熟练掌握差分放大电路的静态工作点和动态指标的计算，以及输出输入相位关系。 6.了解集成运放的内部结构及各部分功能、特点。 7.了解集成运放主要参数的定义，以及他们对运放性能的影响。

6.0 集成电路的类型和特点 集成电路的主要类型 集成电路：元件、器件、电路连接等制作在一块基片上－－固体组件 6.0 集成电路的类型和特点 集成电路的主要类型 集成电路：元件、器件、电路连接等制作在一块基片上－－固体组件 逻辑门、逻辑功能模块、存储器、PLD 数字集成电路 数模和模数接口 基本分类 1. 从物理意义上解释低通电路 2. 稳态分析方法 3. 增益与传递函数 4. 复数的模与相角 线性放大器：运放、功放 模拟集成电路 稳压器 通信集成电路 可编程模拟电路

主要电路构成单元：复合管、恒流源、差分对、电平移动、温度补偿等 模拟集成电路的主要特点 产品特点 应用范围广泛：测量、仪表、通信、控制等 产品复杂多样：通用与专用 电路系列繁多：没有也很难规范出统一系列 技术特点 元件一致性好，相对精度高 大量应用有源器件取代电阻 电路各级一般不用电容而直接耦合 主要电路构成单元：复合管、恒流源、差分对、电平移动、温度补偿等 1. 从物理意义上解释低通电路 2. 稳态分析方法 3. 增益与传递函数 4. 复数的模与相角

6.1 模拟集成电路中的直流偏置技术 6.1.1 BJT电流源电路 6.1.2 FET电流源 1. 镜像电流源 3. 高输出阻抗电流源 6.1 模拟集成电路中的直流偏置技术 6.1.1 BJT电流源电路 1. 镜像电流源 3. 高输出阻抗电流源 2. 微电流源 4. 组合电流源 6.1.2 FET电流源 1. MOSFET镜像电流源 2. MOSFET多路电流源 3. JFET电流源

6.1.1 BJT电流源电路 1. 镜像电流源 T1、T2的参数全同 即β1＝β2，ICEO1＝ICEO2 当BJT的β较大时，基极电流IB可以忽略 代表符号 Io＝IC2≈IREF＝

6.1.1 BJT电流源电路 1. 镜像电流源 动态电阻 一般ro在几百千欧以上

6.1.1 BJT电流源电路 2. 微电流源 由于 很小， ro≈rce2（1＋ ） 所以IC2也很小。 （参考射极偏置共射放大电路的输出电阻 ）

6.1.1 BJT电流源电路 3. 高输出阻抗电流源 A1和A3分别是T1和T3的相对结面积 动态输出电阻ro远比微电流源的动态输出电阻为高

6.1.1 BJT电流源电路 4. 组合电流源 T1、R1 和T4支路产生基准电流IREF T1和T2、T4和T5构成镜像电流源

6.1.2 FET电流源 1. MOSFET镜像电流源 当器件具有不同的宽长比时 （=0） ro= rds2 MOSFET基本镜像电路流

6.1.2 FET电流源 1. MOSFET镜像电流源 用T3代替R，T1~T3特性相同，且工作在放大区，当=0时，输出电流为 常用的镜像电流源

6.1.2 FET电流源 2. MOSFET多路电流源

6.1.2 FET电流源 3. JFET电流源 (a) 电路 (b) 输出特性 end

6.2 差分式放大电路 6.2.1 差分式放大电路的一般结构 6.2.2 射极耦合差分式放大电路 6.2.3 源极耦合差分式放大电路

6.2.1 差分式放大电路的一般结构 1. 用三端器件组成的差分式放大电路

6.2.1 差分式放大电路的一般结构 2. 有关概念 差模信号 共模信号 差模电压增益 总输出电压 共模电压增益 其中 6.2.1 差分式放大电路的一般结构 2. 有关概念 差模信号 共模信号 差模电压增益 总输出电压 共模电压增益 其中 ——差模信号产生的输出 共模抑制比 ——共模信号产生的输出 反映抑制零漂能力的指标

6.2.1 差分式放大电路的一般结构 2. 有关概念 根据 有 两输入端中的共模信号大小相等，相位相同；差模信号大小相等，相位相反。 6.2.1 差分式放大电路的一般结构 2. 有关概念 根据 有 两输入端中的共模信号大小相等，相位相同；差模信号大小相等，相位相反。 共模信号相当于两个输入端信号中相同的部分 差模信号相当于两个输入端信号中不同的部分

6.2.2 射极耦合差分式放大电路 1. 电路组成及工作原理

6.2.2 射极耦合差分式放大电路 1. 电路组成及工作原理 静态

1. 电路组成及工作原理 动态 仅输入差模信号， 大小相等，相位相反。 大小相等， 相位相反。 信号被放大。

2. 抑制零点漂移原理 温度变化和电源电压波动，都将使集电极电流产生变化。且变化趋势是相同的， 其效果相当于在两个输入端加入了共模信号。

2. 抑制零点漂移原理 差分式放大电路对共模信号有很强抑制作用 2. 抑制零点漂移原理 这一过程类似于分压式射极偏置电路的温度稳定过程。所以，即使电路处于单端输出方式时，仍有较强的抑制零漂能力。 差分式放大电路对共模信号有很强抑制作用

3. 主要指标计算 （1）差模情况 <A> 双入、双出 以双倍的元器件换取抑制零漂的能力 接入负载时

3. 主要指标计算 （1）差模情况 <B> 双入、单出 接入负载时

3. 主要指标计算 （1）差模情况 <C> 单端输入 等效于双端输入 指标计算与双端输入相同。

3. 主要指标计算 （2）共模情况 <A> 双端输出 共模信号的输入使两管集电极电压有相同的变化。 所以 共模增益

3. 主要指标计算 （2）共模情况 <B> 单端输出 抑制零漂能力增强

（3）共模抑制比 （4）频率响应 双端输出，理想情况 单端输出 抑制零漂能力 越强 单端输出时的总输出电压 高频响应与共射电路相同，低频可放大直流信号。

例 求: (4)当输出接一个12k负载时的差模电压增益. 解： (1)静态

(2)电压增益

(3) 差分电路的共模增益 共模输入电压 不计共模输出电压时

(4)

4. 带有源负载的射极耦合差分式放大电路 静态 IE6  IREF IO ＝ IE5

4. 带有源负载的射极耦合差分式放大电路 差模电压增益 （负载开路） 则 单端输出的电压增益接近于双端输出的电压增益

4. 带有源负载的射极耦合差分式放大电路 差模输入电阻 Rid＝2rbe 输出电阻

4. 带有源负载的射极耦合差分式放大电路 共模输入电阻 Ric＝rbe＋2(1＋β)ro5

6.2.3 源极耦合差分式放大电路 1. CMOS差分式放大电路

6.2.3 源极耦合差分式放大电路 1. CMOS差分式放大电路 双端输出差模电压增益 而: 所以：

6.2.3 源极耦合差分式放大电路 1. CMOS差分式放大电路 单端输出差模电压增益 vo2＝(id4-id2)(ro2// ro4) 6.2.3 源极耦合差分式放大电路 1. CMOS差分式放大电路 单端输出差模电压增益 vo2＝(id4-id2)(ro2// ro4) (ro2// ro4) ＝ gm(ro2 // ro4 ) ＝gm vid（ro2 // ro4） 与双端输出相同 end

6.3 差分式放大电路的传输特性 根据 iC1= iE1，iC2= iE2 vBE1= vi1= vid/2 6.3 差分式放大电路的传输特性 根据 iC1= iE1，iC2= iE2 vBE1= vi1= vid/2 vBE2= vi2 = -vid/2 又 vO1＝VCC－iC1Rc1 vO2＝VCC－iC2Rc2 可得传输特性曲线 vO1，vO2＝f（vid）

vO1，vO2＝f（vid）的传输特性曲线 end

6.4 集成电路运算放大器 6.4.1 集成电路运算放大器CMOS MC14573 6.4.2 集成运算放大器741

6.4.1 CMOS MC14573 集成电路运算放大器 1. 电路结构和工作原理

2. 电路技术指标的分析计算 (1)直流分析 已知VT 和KP5 ，可求出IREF 根据各管子的宽长比 ，可求出其它支路电流。

2. 电路技术指标的分析计算 (2)小信号分析 设 gm1 = gm2 = gm 则 输入级电压增益

2. 电路技术指标的分析计算 (2)小信号分析 第二级电压增益 Av2= vo/ v gs7 =－gm7(rds7//rds8) 总电压增益 Av = Av1·Av2 将参数代入计算得 Av = 40884.8（ 92.2 dB ）

6.4.2 集成运算放大器741 原理电路

6.4.2 集成运算放大器741 简化电路 end

6.5 实际集成运算放大器的主要参数和对应用电路的影响 6.5 实际集成运算放大器的主要参数和对应用电路的影响 6.5.1 实际集成运放的主要参数 6.5.2 集成运放应用中的实际问题

6.5.1 实际集成运放的主要参数 输入直流误差特性（输入失调特性） 1. 输入失调电压VIO 2. 输入偏置电流IIB 6.5.1 实际集成运放的主要参数 输入直流误差特性（输入失调特性） 1. 输入失调电压VIO 在室温（25℃）及标准电源电压下，输入电压为零时，为了使集成运放的输出电压为零，在输入端加的补偿电压叫做失调电压VIO。一般约为±（1～10）mV。超低失调运放为（1～20）V。高精度运放OP-117 VIO=4V。MOSFET达20 mV。 2. 输入偏置电流IIB 输入偏置电流是指集成运放两个输入端静态电流的平均值 IIB＝（IBN＋IBP）/2 BJT为10 nA～1A；MOSFET运放IIB在pA数量级。

6.5.1 实际集成运放的主要参数 输入直流误差特性（输入失调特性） 3. 输入失调电流IIO 4. 温度漂移 6.5.1 实际集成运放的主要参数 输入直流误差特性（输入失调特性） 3. 输入失调电流IIO 输入失调电流IIO是指当输入电压为零时流入放大器两输入端的静态基极电流之差，即IIO＝|IBP－IBN| 一般约为1 nA～0.1A。 4. 温度漂移 （1）输入失调电压温漂VIO / T （2）输入失调电流温漂IIO / T

6.5.1 实际集成运放的主要参数 差模特性 1. 开环差模电压增益Avo和带宽BW 开环差模电压增益AvO 开环带宽BW (fH) 6.5.1 实际集成运放的主要参数 差模特性 1. 开环差模电压增益Avo和带宽BW 741型运放AvO的频率响应 开环差模电压增益AvO 开环带宽BW (fH) 单位增益带宽 BWG (fT)

6.5.1 实际集成运放的主要参数 差模特性 2. 差模输入电阻rid和输出电阻ro 3. 最大差模输入电压Vidmax 6.5.1 实际集成运放的主要参数 差模特性 2. 差模输入电阻rid和输出电阻ro BJT输入级的运放rid一般在几百千欧到数兆欧 MOSFET为输入级的运放rid＞1012Ω 超高输入电阻运放rid＞1013Ω、IIB≤0.040pA 一般运放的ro＜200Ω，而超高速AD9610的ro＝0.05Ω。 3. 最大差模输入电压Vidmax

6.5.1 实际集成运放的主要参数 共模特性 1. 共模抑制比KCMR和共模输入电阻ric 2. 最大共模输入电压Vicmax 6.5.1 实际集成运放的主要参数 共模特性 1. 共模抑制比KCMR和共模输入电阻ric 一般通用型运放KCMR为（80～120）dB，高精度运放可达140dB，ric≥100MΩ。 2. 最大共模输入电压Vicmax 一般指运放在作电压跟随器时，使输出电压产生1%跟随误差的共模输入电压幅值，高质量的运放可达± 13V。

6.5.1 实际集成运放的主要参数 大信号动态特性 1. 转换速率SR 6.5.1 实际集成运放的主要参数 大信号动态特性 1. 转换速率SR 放大电路在闭环状态下，输入为大信号（例如阶跃信号）时，输出电压对时间的最大变化速率，即 若信号为vi＝Vimsin2ft ，则运放的SR必须满足SR≥2πfmaxVom

6.5.1 实际集成运放的主要参数 大信号动态特性 2. 全功率带宽BWP 指运放输出最大峰值电压时允许的最高频率，即 6.5.1 实际集成运放的主要参数 大信号动态特性 2. 全功率带宽BWP 指运放输出最大峰值电压时允许的最高频率，即 SR和BWP是大信号和高频信号工作时的重要指标。一般通用型运放SR在nV/s以下，741的SR=0.5V/s而高速运放要求SR＞30V/s以上。目前超高速的运放如AD9610的SR＞3500V/s。

6.5.1 实际集成运放的主要参数 电源特性 1. 电源电压抑制比KSVR 衡量电源电压波动对输出电压的影响 2. 静态功耗PV

6.5.2 集成运放应用中的实际问题 1. 集成运放的选用 根据技术要求应首选通用型运放，当通用型运放难以满足要求时，才考虑专用型运放，这是因为通用型器件的各项参数比较均衡，做到技术性与经济性的统一。至于专用型运放，虽然某项技术参数很突出，但其他参数则难以兼顾，例如低噪声运放的带宽往往设计得较窄，而高速型与高精度常常有矛盾，如此等等。

6.5.2 集成运放应用中的实际问题 2. 失调电压VIO、失调电流IIO和偏置电流IIB带来的误差 输入为零时的等效电路

解得误差电压 当 时，可以 消除偏置电流 引起的 误差，此时 引起的误差仍存在 当电路为积分运算时， 即 换成电容C，则 时间越长，误差越大，且易使输出进入饱和状态。

6.5.2 集成运放应用中的实际问题 3. 调零补偿 （a）调零电路 （b）反相端加入补偿电路 end