7.1 概 述 7.2 差动式放大电路 7.3 电流源电路7.4 集成运算放大器第7章集成运算放大器 集成电路
( Integrated circuit缩写为IC )是应用半导体制造工艺把晶体管、场效应管、电阻、小容量电容等许多元器件以及它们
之间的连线都做在同一硅片上，然后封装在管壳里。这样制成的具有特定功能的电子电路称为集成电路。 特点：体积小、重
量轻、性能好、功耗低、可靠性高。7.1.1集成电路简介7.1 概 述 集成电路按功能可分为模拟集成电路和数字集成
电路两大类。 模拟集成电路按其特点分为集成运算放大器、集成稳压器、集成功率放大器等。7.1.2 集成电路分类 由于
制造工艺方面的原因，模拟集成电路具有下面一些特点： 1 采用直接耦合方式。2 采用差动放大电路。3 用恒流源代替大阻值的电阻
。4 采用复合管的接法以改进单管的性能。5 集成电路中的元件性能一致，特别适宜于制作对称结构的电路。7.1.3 模拟集成电路
的结构特点集成运算放大器是一种高放大倍数的直接耦合多级放大器。直接耦合方式的放大电路存在着温漂问题，在多级放大器中，第一级的温漂影
响尤其严重，因此必须采取措施有效地抑制温漂。输入级大多采用差动式放大电路(Differential Amplifier)7.2
差动式放大电路ΔUO7.2.1 基本差动放大电路 组成：由两个相同的共射单管放大电路组成。 输入：从两个管子基极，称
为双端输入方式。 输出：从两个管子集电极之间取出，ΔUO=UC1－UC2，称为双端输出方式。1. 工作原理条件：T1和T2特性
完全一致，Rs1=Rs2，Rb1=Rb2，Rc1=Rc2，即两边电路是完全对称的。ΔUI1=ΔUI2 = 0，两管集电极静态值UC
1=UC2，输出电压ΔUO=0。(1)静态分析输入大小相等，极性相同的信号，即ΔUI1=ΔUI2 ?共模信号ΔUIC =ΔUI1
=ΔUI2 。所以ΔUO=(UC1－ΔUC1)－(UC2－ΔUC2) = 0，即输出电压没有温漂。(2)动态分析（共模输入）UC1
和UC2的变化相同，因此输出电压ΔUOC=0。共模电压放大倍数(Common-mode Gain)：当输入共模信号时，共模输出电压
ΔUOC与输入电压ΔUIC之比 。UC1+图7.1 基本差动放大电路+Rs1+VCCΔUI1Rs2Rb1Rc1Rc2Rb2UC2
ΔUI2ΔUO++___T1T2-电路在理想对称情况下，双端输出时，Auc=0。可抑制共模信号。用Auc表示。 差动放大
电路要放大信号时，输入信号ΔUI应加在B1、B2两个输入端上，如图7.2所示。ΔUI=ΔUI1 –ΔUI2++VCC+ΔUO_Rb
1Rc1ΔUIΔUI1Rs1Rs2Rc2Rb2B1B2ΔUI2++_+_T1T27.2 差模输入差动放大电路(3)动态分析（差模
输入）在两边电路完全对称的条件下，输入信号ΔUI相当于在两边电路的输入端均分，因此ΔUIΔUIΔUI1=ΔUI/2，ΔUI2=－Δ
UI/2。/2/2T1和T2的输入电压ΔUI1和ΔUI2大小相等，极性相反,此时的输入信号ΔUI称为差模信号(Difference
-mode Signal)，记为ΔUId。ΔUId=ΔUI1–ΔUI2。ΔUI1ΔUI2在差模信号作用下，两管的电流和集电极电位变
化相反。当ΔUI为正时，ΔUI1>0，ΔUC1<0 ++VCC+ΔUO_Rb1Rc1ΔUIΔUI1Rs1Rs2Rc2Rb2B1B2
ΔUI2++_+_T1T27.2 差模输入差动放大电路ΔUI2=－ΔUI/2， ΔUI2 <0，UC2>0。在两边电路完全对称的
条件下，ΔUC1=-ΔUC2。ΔUO=(UC1+ΔUC1)－(UC2+ΔUC2)=2ΔUC1=－2ΔUC2。因此，当ΔUI>0时，
ΔUO<0； 当ΔUI<0时，ΔUO>0。差动放大电路对共模信号无放大作用。电路只对差模信号才起放大作
用，故称为差动放大电路(Difference-mode Gain)。2.差模放大倍数 输入差模信号时，差模输出电压ΔUOd
与差模输入电压ΔUId之比称为差模电压放大倍数，用Aud来表示。根据图7.3可得在输入差模电压的作用下，每边管子的输出电压为：因为
电路对称Au1=Au2，所以总的输出电压得到差模放大倍数为 ：(1).不易实现电路的完全对称现。3.存在问题 (3).无论单端还是
双端输出,严重的温漂会使本级静态工作点进入饱和或截止区,使放大电路不能正常工作.(2).在实际工程中，常要求单端输出信号，不能抑制
零漂。1.射极公共电阻的作用 由于温漂可以等效为输入端加共模信号，因此首先分析射极公共电阻Re对共模信号的抑制作用。7.2.2 具
有射极公共电阻的差放电路T℃IC1IC2↑↓UBE2利用电流负反馈抑制温漂，共模信号时(或温度升高时)，单管中的发射极电流为IEQ
+ΔIE，那么流过电阻Re的电流即为IRe=2IEQ+2ΔIE (IE1+IE2)↑→URe=(IE1+IE2)Re↑↑→UEUB
E1↓→IB1↓→IC1↓↓→IB2↓→IC2↑↑Re上的电压降为： URe=(2IEQ+2ΔIE)Re=(
IEQ+ΔIE)2Re 从电压等效的观点出发，每个管子的发射极相当于接入了2Re，如图7.5所示。 2Re2Re根据图7.6示交
流通路可知，每边电路对共模信号ΔUIC的放大倍数为:ΔUICΔUIC 负载电阻RL中没有电流流过，视为开路。RL 从上式中可
见，Re使每边共模放大倍数显著下降，即Re对共模信号有很强的抑制作用，Re越大，负反馈的作用越强，每管的漂移越小，则抑制共模信号的
作用就越强。 在差模信号作用下，两管得到大小相等、极性相反的输入信号，于是一管电流增大，另一管电流减小，且变化量相等, Re
对差模信号的放大倍数的影响:IE2+ΔIE2即Re上的总电流不变，仍为2IEQ，在Re上没有信号压降。因而两管电流之和不变，故不会
影响差模放大倍数。IE1+IE2IE1+ΔIE1所以对差模信号而言，Re如同短路，2.电路的计算分析由于电路两边参数完全对称，即T
1和T2特性一致， Rc1=Rc2=Rc，Rs1=Rs2=Rs。(1)计算静态工作点 在ΔUI1=ΔUI2=0时，IE1=IE2
=IE，由图 7.4 得出VEE=IBRs+2IER+UBE通常有IBRs<<2IERe，所以VEE≈2IERe+UBE UBE+
_UBE+_每管发射极电流 设?>> 1，则 IC1=IC2=IC≈IE UCE1 = UCE2 = UCE = VCC+
VEE-ICRc-2IERc(2)计算差模放大倍数对差模信号Re可视为短路，在信号幅度不太大的条件下，仍可用h参数微变等效电路计算
，其差模微变等效电路如图7.7所示。RL对交流信号而言，其中心相当于接地，每边接 RL/2 的负载电阻。这时RL/2RL/2(3
)计算差模输入电阻和输出电阻差模输入电阻是从差模输入信号两端向放大器看入的动态电阻，显然它等于半边电路输入电阻的两倍，即Rid =
2(Rs + rbe)Rid输出电阻为Rod = 2RcRod射极公共电阻Re越大，抑制共模信号的能力就越强?维持静态工作点的电
源VEE相应增大。大电阻在集成电路中不易制作。 为此希望有这样一种器件，它的交流等效电阻很大，直流电压降却不太
大。恒流源就具有这种性能。7.2.3 具有恒流源的差放电路 回想第五章中稳定工作点电路,射极串有电阻Re后，输出特性更
为平坦，即在放大区很大范围内iC基本上取决于iB的值而与uCE的大小无关，相当于一个内阻非常大的电流源。iCrce>>RCE这样就
得到了如图7.8所示电路。因此可利用稳定工作点电路来代替Re。将电流源简化为内阻无限大的恒流源(Constant Current
Source)的电路如图7.9所示。 在图7.10中，D1和D2为温度补偿二极管，设其正向压降为UD=0.7V，T1、T2、
T3管的β=50，UBE=0.7V，[例7.2] 其它参数如图7.10所示。试计算：⑴静态工作点；⑵差模电压放大倍数；⑶差模输入电
阻和输出电阻。解：⑴静态工作点的计算UC1 = UC2 = VCC-ICRc = 12-0.57×10 = 6.3(V)
若忽略Rs和RE上的静态压降，则UC3≈UE1 = UE2 = - 0.7(V)UE3 = UB3 -UBE3 = -5.46-0
.7 = - 6.16(V)UCE1 =UCE2 =UC1-UE1 = 6.3+0.7
= 7(V)UCE3 =UC3 -UE3 = -0.7 + 6.16 = 5.46(V)⑵差模放大倍数 输出电阻为： Ro =
Rc = 20(kΩ)⑶差模输入电阻和输出电阻 差模输入电阻为： Rid = 2[Rs + rbe + (1+β)RE]
= 2×(2 + 2.6 + 51×0.1) = 19.4(kΩ)7.2.4共模抑制比和其模输入电压范围差动放大电路放大的信号是
差模输入信号。共模信号是外界客观存在的。实际上差动放大电路的输入信号常是既有差模成分又有共模成分。设差放的两个输入端对地的信号电压
为ΔUI1和ΔUI2。那么差模输入电压ΔUId可以表示为二者之差。 ΔUId =ΔUI1-ΔUI2 共模输入电压ΔUIC为二者的算
术平均值：实际的每个输入端的信号电压相当于每一边的差模输入信号和共模输入信号的叠加。即：ΔUO =ΔUOd+ΔUOc = AUdΔ
UId + AUcΔUIC当差动放大电路在小信号范围内工作时，按照叠加原理，可得输出电压ΔUO为:式中ΔUOd为差模输出电压，即为
经放大后输出的信号电压；ΔUOc为共模输出电压，即为误差电压，应当加以抑制。ΔUO =ΔUOd+ΔUOc = AUdΔUId +
AUcΔUIC实际电路不是完全对称，或者单端输出的形式，则Auc≠0，输出电压ΔUO中包含ΔUOc，即误差电压成分。一个性能良好的
差放，其共模放大倍数应非常低，能够有效地抑制共模信号。若差放电路是理想对称的，而且是双端输出的形式，那么Auc=0，输出电压ΔUO
=ΔUOd。定义共模抑制比(Common-mode Rejection Ratio 简称KCMR)为:用分贝为单位表示为怎样衡量差
放电路抑制共模信号的能力?共模抑制比。 共模抑制比KCMR实际的差动放大电路，在输入共模电压超过某一定值时，将影响差分对管的工作
状态，共模抑制比会下降，甚至不能正常工作，因此必须限制输入共模电压的大小。 在共模抑制比不低于规定值的条件下，允许输入的最大共模电
压，称为共模输入电压范围。 1.失调电压(Offset Voltage)和失调电流(Offset Current) 7.2.5失调
和调零实际的差放，由于两边的管子特性和电阻参数不可能理想对称、输入为零时输出一般不为零。这种现象称为放大电路的失调。放大电路的失调
程度可以用输入端的失调电压和失调电流两个参数来表示，也就是说，可以把放大电路输出的失调看成是在输入端加一个输入电压和一个输入电流的
结果。 图7.11表示一个有失调的实际差放电路，把它等效成图 7.12电路，其中虚线框内表示一个理想的差动电路。ΔUO=0时
ΔUI≠0 IB1≠IB2I''B1=IB1-IIO/2 =(IB1+IB2)/2 =I
B2+IIO/2=I''B2ΔUO=0时ΔU''I=0I''B1=I''B2IIO=IB1-IB2由于实际差放电路不对称，因此存在失调电压
和失调电流。输入失调电流IIO：使放大器ΔUO=0时，两个输入端的偏置电流之差。输入失调电压UIO：使放大电路ΔUO=0时输入端所
需的补偿电压；2.调零电路 实际的差动放大电路都存在失调电压和失调电流。因此，实用的电路中都设计有调零装置，人为地将放大电路调到零
输入时输出也为零。下面给出几种常用的调零电路。图7.13(a)调节Rw，改变IC1和IC2。设输入为零时，ΔUo为正，则Rw的滑动
端向左移，IC1↑，IC2↓，ΔUo→0。Rw<几百欧姆7.13(b)改变Rw，改变Rc，ΔUo为正，Rw向右移，Rc1↑，UC1
↓→ΔUo→0。调节图7.13（c）中 Rw，改变UB2，就是调节输入给T2管基极的补偿电压的极性和大小，等于加上UIO，从而使Δ
Uo→0。7.2.6 差动放大电路的四种接法 差动放大电路一般情况下的输入信号和输出信号输入信号：差模：ΔUId =ΔUI1-Δ
UI2 共模：四种连接方式：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。双端输入、双端输出电路的差模放大
倍数为：输入电阻：Rid = 2(Rs+rbe) 输出电阻：Rod = 2Rc共模放大倍数为：Auc=01.双端输入、双端输出2.
双端输入、单端输出双端输入、单端输出电路如图7.14所示。双端输入、单端输出电路与双端输入双端输出电路比较有下面三点差别：（1）静
态时输出端的直流电压不为零。（2）输出信号只从一管集电极取出，差模放大倍数为双端输出电路的一半。（3）电路的温漂和KCMR指标要低
于双端输出电路。由差模交流通路，图7.15，可以计算电路的差模电压放大倍数差模放大倍数为双端输出电路的一半。当满足(Rs1+rbe
1)<<2(1+β)Re时，在深度负反馈下得输入电阻：Rid = 2(Rs+rbe) 输出电阻：Rod = RcRe↑→Auc↓3
.单端输入、双端输出如图7.16所示，单端输入是将输入端一端接地。 可以将其等效变换，按式ΔUId =ΔUI1-ΔUI2，将原来信
号分解成一个共模信号和一对差模信号，如图7.17所示。进行如此变换之后由于输入信号中有差模和共模信号两部分，则输出信号也有两部分组
成：单端输入双端输出的共模电压放大倍数Auc在理论上为0。而差模放大倍数为： 差模输入电阻： Rid = 2( Rs + rbe
)输出电阻： Ro = 2Rc4.单端输入、单端输出电路 电路如图7.18所示。由上面讨论可知，差动放大电路的此种接法
的性能指标可通过下列各式求出： Rid = 2 ( Rs + rbe ) Ro=Rc7.3 电流源电路 电流源电路不仅可以用于
各种放大器的偏置电路，而且可用于取代电阻作为放大电路的有源负载，因而在集成运算放大器中得到了广泛的应用。7.3.1镜像电流源电路(
Current Mirror Source)图7.19所示为镜像电流源电路。其中T1和T2两管特性理想对称，完全一致。 则UB1=
UB2，故IB1=IB2=IB，IC1=IC2=IO，那么IR可表示为 如果β>>2，VCC>>UBE，则从上式可见，当参考电流I
R的大小固定时，电流源输出电流IO也就相应恒定；IR改变，IO也随之改变，故称为镜像电流源。 优点：结构简单，两管参数对称，符合集
成电路的特点；缺点：IO的数值仍受电源电压、R和UBE的影响。若想得到小电流(如微安级)，则R必须很大，这在集成电路制作上有一定困
难。7.3.2微电流源电路(Small Value Current Source)若想获得小电流的同时仍保持电阻R阻值不大，则应使
IO>UT时，因制作工艺相同
，所以IS1=IS2IR = IE1+IB2≈IE1，IO≈IE2 这是一个超越方程，一般可用图解法或累试法求解。在设计中一般是先
确定IR和IO的数值，再确定R和Re2的值。7.3.3多路电流源电路 可以一个参考电流获得多个电流，而且各个电流值可以互不相同。在
镜像电流源和微电流源的基础上得到的多路电流源电路。其中T1构成参考电流源IE1R1≈IE2R2≈IE3R3≈IE4R47.3.4有
源负载电路 用晶体管组成的电流源取代电阻作为放大电路的负载，称为有源负载(Active Load)。利用电流源对电流变化量所呈现的
很大的输出电阻，就可以代替共射放大电路中的Rc，可有效地提高放大倍数。利用恒流源来代替差动放大电路中的公共射极电阻Re，提高共模抑
制比的电路，(已经讨论过)。如图7.22是在一个单管共射极放大电路中使用有源负载电路。其中T2与T3构成镜像电流源，用它的输出电阻
rce3作为T1管的集电极负载电阻。如图7.23是在差放电路中使用有源负载电路。其中T3、T4构成电流源作为T1和T2所构成的差动
放大电路的集电极有源负载。具有把差放的双端输出转变为单端输出的功能，而且使单端输出的电压放大倍数增加了一倍。 当输入信号ΔUI=0
时，静态电流IC1=IC2=IO/2。由于T3、T4为电流源，则IC1=IC4，那么流过负载电阻RL的静态电流IL=IC4-IC2
=0。当输入差模信号ΔUI时，iC1=IC1+ΔIC1iC2=IC2+ΔIC2而ΔIC1=-ΔIC2，由于电流源的原因，使ΔIC4
=ΔIC1，那么流过负载电阻RL的信号电流输出信号电流比单端输出时大了一倍，则放大倍数也大了一倍。这种电路也称为单端化电路，常为集
成运放所采用。ΔIL=ΔIC4-ΔIC2 =ΔIC1-(-ΔIC1) =2ΔIC17.4 集成运算放
大器集成运放电路简介集成运算放大器的技术指标集成运放的低频等效电路集成运放使用注意事项7.4.1 集成运算放大器简介集成运算放大器
的组成通常由差动放大电路构成，目的是为了减小放大电路的零点漂移、提高输入阻抗。通常由共发射极放大电路构成，目的是为了获得较高的电压
放大倍数。通常由互补对称电路构成，目的是为了减小输出电阻，提高电路的带负载能力。一般由各种恒流源电路构成，作用是为上述各级电路提供
稳定、合适的偏置电流，决定各级的静态工作点。具体实例以F007(5G24、F741)为例来说明集成运放的内部电路组成。F007是国
内型号，对应国外同类产品的型号为μA741。这是一种应用十分广泛的通用型集成运放。它的内部电路如图7-26所示。 ⒈开环差模电压增
益AOd开环差模电压增益是指集成运放无外加反馈时输出电压与输入差模电压之比。AOd(dB)=20lgAOd它是决定运放运算精度的重
要因素。目前高增益的集成运放的AOd可达到107以上。常以分贝(dB)表示： 7.4.2 集成运算放大器的技术指标⒉输入失调电压U
IO 为了使输出电压为零，在输入端所需要加的补偿电压。它表征了 输入级差分对管UBE的失调程度，在一定程度上反映了温漂的大小。高质
量的产品UIO在1mV以下。⒊输入失调电压的温漂它是指在规定工作范围内UIO的温度系数，是衡量电路温漂的重要指标，这个指标往往比U
IO更为重要，因为UIO可以通过调零的办法来补偿，而却不能被补偿。高质量的集成运放的＜0.5μV/℃。⒋输入偏置电流IIB 集成运
放输出为零时，两个输入端所需电流的平均值，称为输入偏置电流。一般集成运放的IIB为微安量级，高质量的为纳安量级。⒌输入失调电流II
O集成运放输出电压为零时，两个输入端的偏置电流之差，称为输入失调电流。IIO=IB1-IB2 ⒍输入失调电流的温漂 dIIO/dT
这是指在规定工作范围内IIO的温度系数。高质量的运放可为几个皮安每度(PA/℃)。⒎差模输入电阻ridrid是指运算放大器开环时，输入电压的变化与由它引起的输入电流的变化之比，也就是从放大器两个输入端看入的动态电阻。 ⒏共模抑制比KCMR 高质量的集成运放的KCMR可达160dB以上。⒐共模输入电压范围UICmax其定义与差动放大电路中的相同，不同类型运放的共模输入电压范围也不同，如F004为±10V；F007为±13V。⒑最大差模输入电压UIdmax是指同相输入端与反相输入端之间所能承受的最大电压值。⒒开环输出电阻ro运算放大器开环时的动态输出电阻⒓最大输出电压UOmax在规定的电源电压和负载条件下，放大器所能输出的最大电压为UOmax。⒔最大输出电流IOmax放大器在最大输出电压下所能给出的最大输出电流，即为IOmax。7.4.3 集成运放的低频等效电路集成运放在电路中可以作为一个完整的独立器件来使用，因此在进行电路分析时，要用一个个等效电路来代替各种型号的运放。由于运放常用在频率不太高的情况下，因此只介绍运放的低频等效电路。运放在电路中的符号如图7-35所示。 ⒈了解性能参数：查产品手册、用集成运放参数测试仪来测量、用简单电路测试。⒉集成运放在使用之前应当调零。⒊相位补偿⒋避免自激振荡，店员高频滤波退耦⒌保护：输入输出限幅、输出限流、电源极性反接保护等。7.4.4 集成运放使用注意事项 |
|
