第四章 集成运算放大电路 4.1 集成运算放大电路概述 4.2 集成运放中的电流源电路 4.3 集成运放电路简介

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1 第四章 集成运算放大电路 4.1 集成运算放大电路概述 4.2 集成运放中的电流源电路 4.3 集成运放电路简介
第四章　集成运算放大电路 4.1　集成运算放大电路概述 4.2　集成运放中的电流源电路 4.3　集成运放电路简介 4.4　集成运放的指标及低频等效电路 第三版童诗白 4.5　集成运放的种类及选择 4.6　集成运放大的使用

2 本章重点和考点： 本章教学时数： 4学时 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。 第三版童诗白 本章教学时数：　4学时　

3 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？
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？

4 4.1 集成运算放大电路概述 集成电路简称 IC (Integrated Circuit) 数字集成电路 集成电路按其功能分 模拟集成电路
4.1　集成运算放大电路概述 集成电路简称 IC (Integrated Circuit) 数字集成电路 集成电路按其功能分 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。 模拟集成电路类型

5 集成电路的外形 (a)双列直插式 (b)圆壳式 (c)扁平式 　集成电路的外形

6 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。

7 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。 +  uo uid
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。 输入级 偏置电路 中间级 输出级 +  uo uid 图 4.1.1　集成运算的基本组成 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。

8 4.1.3 集成运放的电压传输特性 + 电压传输特性 uO uN uO Aod uP-uN uP
4.1.3　集成运放的电压传输特性 uO uP-uN + Aod uP uN uO 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)

9 集成运放的工作区域 线性区域： 非线性区域： 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 uP-uN
+UOM 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 -UOM 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。

10 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;
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。 4.2.1　基本电流源电路

11 一、镜像电流源 (电流镜 Current Mirror)
基准电流 +VCC R IREF + T1 T2 IC2 IB1 IB2 2IB IC1 UBE1 UBE2 　　由于 UBE1 = UBE2，T1与 　　T2 参数基本相同，则 IB1 = IB2 = IB；IC1 = IC2 = IC 图 4.2.1 当满足  >> 2 时，则 所以

12 二、比例电流源 由图可得 UBE1 + IE1R1 = UBE2 + IE2R2 由于 UBE1  UBE2 ，则 忽略基极电流，可得
+VCC R IREF + T1 T2 IC2 IB1 IB2 2IB IC1 UBE1 UBE2 由图可得 UBE1 + IE1R1 = UBE2 + IE2R2 由于 UBE1  UBE2 ，则 R1 R2 忽略基极电流，可得 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。

13 三、微电流源 在镜像电流源的基础上接入电阻 Re。
+VCC R IREF T1 T2 IC2 2IB IC1 Re 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 。 Re 图 微电流源

14 基本关系 因二极管方程 若 IC1和 IC2 已知，可求出 Re。 +VCC IREF R IC2 2IB IC1 T1 T2 Re
图 4.2.3　微电流源 若 IC1和 IC2 已知，可求出 Re。

15 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？

16 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。 R IC2 VCC T3 T2 T1 Re3 IC1 IREF IB 一、加射极输出器 的电流源

17 IC2=IC1=IREF-IB3 =IREF-IE3/(β+1) 由于增加了T3，使IC2更加接近IREF（如何证明）
VCC T3 T2 T1 IC1 IREF IB3 由于增加了T3，使IC2更加接近IREF（如何证明） 　IC2=IC1=IREF-IB3 　=IREF-IE3/(β+1) Re2 图4.2.4加射极输出器的电流源 缺点： 1. 受电源波动影响大； 2.电流最低至mA级。 如β＝10　 IC2=0.982 IREF 增加电阻Re2　目的是使IE3增大。

18 二、威尔逊电流源 公式推导（略） 问题：IR如何计算？ R IR IC2 +VCC IC0 IC
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。 公式推导（略） 当β＝10　 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？

19 4.2.3 多路电流源 电路图 公式推导 IC= IE ＝IREF - ∑ IB/(β+1) 当β较大时 IC=IREF
4.2.3　多路电流源 IC T ∑IB R IREF VCC T0 Re IE 电路图 T1 IC1 IC2 IC3 Re1 Re2 Re3 T2 T3 公式推导 　IC= IE ＝IREF　- ∑ IB/(β+1) 当β较大时　IC=IREF 由于各管的β， UBE相同， IERE≈IREFRE=IE1RE1 =IE2RE2=IE3RE3 图4.2.6基于图4.24的多路电流源 　　IC1≈IE1=IREFRE/RE1 IC2≈IE2=IREFRE/RE2 所以 IC3≈IE3=IREFRE/RE3

20 多集电极管构成的 多路电流源 MOS管多路电流源 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。 设沟道宽长比W/L＝S
多集电极管构成的　　　多路电流源 图4.2.7　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。 MOS管多路电流源 图4.2.8　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。

21 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，试求各管的电电流。
解 ≈0.73mA IC10≈28uA ≈0.52mA 图4.2.9　　F007中的电流源电路

22 4.2.4 以电流源为有源负载的放大电路 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。

23 一、有源负载共射放大电路 T Rb1 Rb2 rce2 1.电路图 2.静态分析（求参考电流，略） 3.动态分析

24 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 +VCC Rc + uo uI2
图4.2.11　有源负载差分放大电路 2.静态分析 Rc T1 T2 + uo R uI uI2 +VCC VEE I 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 = 2ic4 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。

25 4.3 集成运放电路简介 4.3.1 双极型集成运放 F007 一、引脚 双极型集成运放 F007 典型的集成运放
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 4.3.1　双极型集成运放 F007 一、引脚 (b)连接示意图 (a) 1 2 3 4 8 7 6 5 　F007 的引脚及连接示意图

26 二、电路原理图 图 4.3.1　F007 电路原理图

27 IC13 IC12 1. 偏置电路 基准电流： 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： +VCC -VCC R4 R5
T8 -VCC T9 T12 T13 T10 T11 R4 R5 I8 I3,4 IC9 IC10 IREF IC13 基准电流： 至输入级 至中间级 　　基准电流产生各放大级所需的偏置电流。 图 　F007 的偏置电路 各路偏置电流的关系： I3, 4 IREF 微电流源 镜像电流源 I11 IC10 IC9 IC8 输入级 镜像电流源 IC13 IC12 中间级 输出级

28 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。
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。 +VCC -VEE T6 R1 I3,4 IC10 IC9 R2 R3 R RW T4 T2 T7 T5 T3 T1 T8 T9 T5、T6 有源负载； uI2 uI1 　　T4 集电极送出单端输出信号至中间级。 uO 　　RW 调零电阻，R 外接电阻。 　　T7 与R2 组成射极输出器。 图

29 (1). T1、T2 共集组态，具有较高的差模输入电阻和共模输入电压。
+VCC -VEE I3,4 T4 T2 T3 T1 I8 RC uI1 uI2 uO 　　(1). T1、T2 共集组态，具有较高的差模输入电阻和共模输入电压。 　　(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。 图 简化示意图 　　(3). T3、T4 共基接法能改善频率响应。 　　(4). 该电路具有共模负反馈，能减小温漂，提高共模抑制比。

30 输出接在输出级的两个互补对称放大管的基极。
3. 中间级 　　输入来自 T4 和 T6集电极； 图 　中间级示意图 +VCC -VEE T15 T16 IC13 R7  T17 R8 30pF  　　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。

31 uo uI 4. 输出级 T14、 T18 、T19 准互补对称电路； D1、 D2 、R9、R10 过载保护电路；
IC13 R8 uo +VCC -VEE T14 uI D1 R9 R10 T19 T18 R7 T15 D2 　　T14、 T18 、T19 准互补对称电路； 　　D1、 D2 、R9、R10 过载保护电路； 　　T15 、R7、R8 为功率管提供静态基流。 图 　F007 输出级原理电路 　　调节 R7、R8 阻值可调节两个功率管之间的电压差。这种电路称为 UBE 倍增电路。

32 4.3.2.单极型集成运放 一、电路结构 二、工作原理 电路的基准电流 IREF＝ ID5＝ ID6＝ I0
T2 +vDD -vss ui1 ui2 vGS3 vGS4 uoD1 uoD2 vGS1 vGS2 T3 T1 T4 iD3 iD4 iD1 iD2 一、电路结构 IREF TREF T5 T6 T7 ID5 ID6 I0 vGS7 vGS6 vGS5 vGSR 双入双出差分式放大电路 耗尽型NMOSFET对管T1、 T2 有源负载 增强型NMOSFET对管T3　T4 偏置电路 TREF、T5、T6 T7组成。 二、工作原理 电路的基准电流　　IREF＝ ID5＝ ID6＝ I0 静态分析　　　 ID1＝ ID2＝ I0/2 输出电压　 UoQ＝ UoD1Q- UoD2Q ＝0 动态分析　　　 uo＝ uoD1- uoD2 差模电压增益 AVD＝ uo / uid＝ - gm (rds1// rds3).

33 4.4 集成运放的性能指标及低频等效电路 4.4.1集成运放的主要性能指标 一、开环差模电压增益 Aod 一般用对数表示，定义为 单位：分贝
4.4　集成运放的性能指标及低频等效电路 4.4.1集成运放的主要性能指标 一、开环差模电压增益 Aod 一般用对数表示，定义为 单位：分贝 理想情况 Aod 为无穷大； 实际情况 Aod 为 100 ~ 140 dB。

34 二、输入失调电压 UIO 三、输入失调电压温漂 UIO 为了使输出电压为零，在输入端所需要加的补偿电压。 定义：
　　　　　为了使输出电压为零，在输入端所需要加的补偿电压。 定义： 一般运放：UIO 为 1 ~ 10 mV； 高质量运放：UIO 为 1 mV 以下。 三、输入失调电压温漂 UIO 定义： 一般运放为 每度 10 ~ 20 V； 高质量运放低于每度 0.5 V 以下；

35 四、输入失调电流 IIO 五、输入失调电流温漂 IIO 当输出电压等于零时，两个输入端偏置电流之差，即 定义：
　　　　　当输出电压等于零时，两个输入端偏置电流之差，即 定义： 一般运放为 几十 ~ 一百纳安；高质量的低于 1 nA。 五、输入失调电流温漂 IIO 定义： 一般运放为 每度几纳安；高质量的每度几十皮安。

36 六、输入偏置电流 IIB 七、差模输入电阻 rid 八、共模抑制比 KCMR 输出电压等于零时，两个输入端偏置电流的平均值。 定义： 定义：
　　　　　输出电压等于零时，两个输入端偏置电流的平均值。 定义： 七、差模输入电阻 rid 定义： 一般集成运放为几兆欧。 八、共模抑制比 KCMR 定义： 多数集成运放在 80 dB 以上，高质量的可达 160 dB。

37 九、最大共模输入电压 UIcm 十、最大差模输入电压 UIdm 十一、 - 3 dB带宽 fH 输入端所能承受的最大共模电压。
反相输入端与同相输入端之间能够承受的最大电压。 十一、 - 3 dB带宽 fH 　　表示 Aod 下降 3 dB 时的频率。一般集成运放 fH 只有几赫至几千赫。

38 十二、 单位增益带宽 fc 十三、 转换速率 SR Aod 降至 0 dB 时的频率，此时开环差模电压放大倍数等于 1 。
　　额定负载条件下，输入一个大幅度的阶跃信号时，输出电压的最大变化率。单位为 V / s 。 　　在实际工作中，输入信号的变化率一般不要大于集成运放的 SR 值。 　　其他技术指标还有：最大输出电压、静态功耗及输出电阻等。

39 4.4.2　集成运放的低频等效电路 考虑各种失调因素时等效电路图 不考虑各种失调因素的电路图

40 4.5 集成运放的种类及选择 4.5.1 集成运放的发展概况 4.5.2 集成运放的种类 一、按工作原理分类 二、按可控性分类
4.5　集成运放的种类及选择 4.5.1　集成运放的发展概况 4.5.2　集成运放的种类 一、按工作原理分类 二、按可控性分类 1.电压放大型F007、F324 2.电流放大型LM3900、F1900 3.跨导型LM3080、F3080 4.互阻型AD8009、AD8011 1.可变增益运放 2.选通运放

41 三、按性能指标分类 1.高精度型 2.低功耗型 漂移和噪声很低，开环增益和共模抑制比很高，误差小。（F5037） 性能特点：
静态功耗一般比通用型低 1 ~ 2 个数量级(不超过毫瓦级)，要求电压很低，有较高的开环差模增益和共模抑制比。（TLC2552）

42 3.高阻型 4.高速型 通常利用场效应管组成差分输入级，输入电阻高达 1012 。 性能特点：
高阻型运放可用在测量放大器、采样-保持电路、带通滤波器、模拟调节器以及某些信号源内阻很高的电路中。（F3130） 4.高速型 性能特点： 大信号工作状态下具有优良的频率特性，转换速率可达每微秒几十至几百伏，甚至高达 V/s，单位增益带宽可达 10 MHz，甚至几百兆欧。

43 常用在A / D 和 D / A 转换器、有源滤波器、高速采样-保持电路、模拟乘法器和精度比较器等电路中。（F3554）
5.高压型 性能特点： 输出电压动态范围大，电源电压高，功耗大。 6.大功率型 性能特点： 可提供较高的输出电压较大的输出电流，负载上可得到较大的输出功率。 4.5.3　运放的选择（略）

44 4.6 集成运放的使用 4.6.1 使用时必做的工作 一、集成运放的外引线（管脚） 二、使用中可能出现的异常现象 1. 不能调零
4.6　集成运放的使用 4.6.1　使用时必做的工作 一、集成运放的外引线（管脚） 二、使用中可能出现的异常现象 1. 不能调零 调零电位器故障； 电路接线有误或有虚焊； 反馈极性接错或负反馈开环； 原因 集成运放内部损坏； 重新接通即可恢复为输入信号过大而造成“堵塞”现象

45 2. 漂移现象严重 存在虚焊点 运放产生自激振荡或受强电磁场干扰 集成运放靠近发热元件 原因 输入回路二极管受光照射 调零电位器滑动端接触不良 集成运放本身损坏或质量不合格 3. 产生自激振荡 按规定部位和参数接入校正网络 防止反馈极性接错 消振措施 避免负反馈过强 合理安排接线，防止杂散电容过大

46 4.6.2 保护措施 + A + A 一、输入保护 uO R1 RF D1 uI +V R1 RF R -V uO uI
4.6.2　保护措施 一、输入保护 uO + A R1 RF D1 D2 uI +V + A R1 D1 D2 RF R -V uO uI 保护元件 保护元件 (b)防止输入共模信号幅值过大 (a)防止输入差模信号幅值过大 图 4.6.1　输入保护措施　

47 A A + + 二、 电源极性错接保护 保护元件：D1 、D2 三、 输出端错接保护 保护元件：稳压管 DZ1、DZ2 R1 RF uI
uO uI + A D1 D2 图 4.6.3　电源接错保护 图 4.6.2　利用稳压管保护运放 三、 输出端错接保护 保护元件：稳压管 DZ1、DZ2

48 A + 四、输出限流保护 保护元件： T1 、T2 +VCC R1 正常工作时工作点在 A； R3
-VEE R2 R3 R4 R1 T4 R5 T3 +VCC C1 C2 正常工作时工作点在 A； 工作电流过大，工作点经B 移到 C 或 D 点。 IC UCE O C D B A (a)电 路 图 (b)保护管工作特性 图 　输出限流保护

49 4.6.3 输出电压与输出电流的扩展 一、提高输出电压 + 采用在运放输出端再接一级由较高电压电源供电的电路，来输出电压幅值。 uP A
4.6.3　输出电压与输出电流的扩展 一、提高输出电压 采用在运放输出端再接一级由较高电压电源供电的电路，来输出电压幅值。 uO +VCC (+30V) -VCC (-30V) T1 T2 R1 R2 R3 R4 b1 b2 e1 e2 + uN uP A 图4.6.4提高输出电压的电路　

50 二、增大输出电流 在运放的输出端加一级射极输出器或互补输出级。

51 复习 1.差分放大电路的类别 基本差分放大电路 长尾差分放大电路 uI2 恒流源式差分放大电路 FET差分放大电路 ~ ~
Rg1 vid T1 Rd VDD -VEE Rg2 Vo2 iD2 I0 +VCC Rc + VT1 VT2 ~ uId uo R -VEE Re +VCC Rc2 + VT1 VT2 Rb2 Rc1 Rb1 ~ uId uo R1 R2 基本差分放大电路 Rc VT1 VT2 + uo R uI1 uI2 +VCC Re Rb2 Rb1 VEE VT3 Rc VT1 VT2 + uo R uI uI2 +VCC VEE I 长尾差分放大电路 恒流源式差分放大电路 FET差分放大电路 2.差分放大电路的接法 双端输入、双端输出； 双端输入、单端输出； 单端输入、双端输出； 单端输入、单端输出。

52 3.直接耦合互补输出级 uo uI T4 RL +VCC + uo  T1 T2 T3 VEE R*1 R2 R3 R4 ui IC13
D1 R9 R10 T19 T18 R7 T15 D2 RL R D1 D2 T1 T2 +VCC + ui  uo VCC V5 R2 R1

53 复习 1.集成电路的组成 2.集成电路中的电流源 R IR IC2 +VCC IC0 IC +VCC R IREF T1 T2 IC2
输入级 中间级 输出级 偏置电路 IC T ∑IB R IREF VCC T0 Re IE T1 IC1 IC2 IC3 Re1 Re2 Re3 T2 T3 +VCC R IREF T1 T2 IC2 2IB IC1 Re +VCC R IREF + T1 T2 IC2 IB1 IB2 2IB IC1 UBE1 UBE2 1.集成电路的组成 R IC2 VCC T3 T2 T1 Re3 IC1 IREF IB +VCC R IREF + T1 T2 IC2 IB1 IB2 2IB IC1 UBE1 UBE2 　MOS管多路电流源 2.集成电路中的电流源 镜像电流源 比例电流源 微电流源 加射极输出器的电流源 威尔逊电流源 多路电流源 MOS管多路电流源