第四章集成运放内部电路设计
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集成运算放大器电路-模拟电子电路-PPT精选全文完整版
第4章 集成运算放大器电路
4―3―2差动放大器的工作原理及性能分析 基本差动放大器如图4―12所示。它由两个性能参
数完全相同的共射放大电路组成，通过两管射极连接 并经公共电阻RE将它们耦合在一起，所以也称为射极 耦合差动放大器。
I UE (UEE ) UEE 0.7
RE
RE
第4章 集成运算放大器电路
IC2
R1 R2
Ir
(4―7) (4―8)
第4章 集成运算放大器电路
可见，IC2与Ir成比例关系，其比值由R1和R2确定。 参考电流Ir现在应按下式计算：
UCC
Ir
UCC U BE1 Rr R1
UCC Rr R1
(4―9)
Ir
Rr
IC2
IB1
V1
＋
UBE1 －
IE1
R1
IB2 ＋
UBE2 － R2
(4―11)
Ir
IC1
IB3
IC1
IC3
IC1 IC2,
IC3
3 1 3
IE3
IE3
IC2
IC1
1
IC2
2
若三管特性相同，则β1=β2=β3=β,求解以上各
式可得
IC3
(1 2ຫໍສະໝຸດ 222)Ir
(4―12)
第4章 集成运算放大器电路
利用交流等效电路可求出威尔逊电流源的动态内阻
Ro为
Ro 2 rce
4―2 电流源电路
电流源对提高集成运放的性能起着极为重要的作 用。一方面它为各级电路提供稳定的直流偏置电流， 另一方面可作为有源负载，提高单级放大器的增益。 下面我们从晶体管实现恒流的原理入手，介绍集成运 放中常用的电流源电路。
优选第四章集成运放内部电路设计
uic
ui1 ui2 2
任意信号：当 ui1 ui2 时，称它们为任意信号， 任意信号可以分解为差模信号和共模信号之和
ui1
ui1 ui2 2
ui1 ui2 2
uic
1 2 uid
ui2
ui1 ui2 2
ui1 ui2 2
uic
1 2
uid
式中
uid ui1 ui2
uic
4.微电流电流源
IC2
IE2
1 RE 2
(U BE1
U BE 2 )
UT RE 2
ln
I E1 IE2
IC2
UT RE 2
ln
I REF IC2
RE 2
UT IC2
ln
I REF IC2
5.威尔逊电流源— 负反馈型电流源
IREF
UCC
U BE 3 R
U BE 2
IC1 IREF IB3 IREF IC3 /
ui1
ui2 2
3、差模增益和共模增益
差模电压增益定义
Ad
u od u id
共模电压增益定义
Ac
u oc u ic
总的输出电压
u o u od u oc Ad uid Acu ic
4、共模抑制比
KCMR
Ad Ac
KCMR dB 20lg
Ad Ac
差模电压增益越大，共模电压增益越小， 则共模抑制能力越强，抑制零漂的能力愈强， 放大电路的性能越优良。
4.1 集成运放电路电路概述 集成运放的组成：
反向输入
ui1
差动输入级
ui2 同向输入
中间放大级
输出级
uo
1.输入级
集成运算放大器内部电路
集成运算放大器（以后简称集成运放）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。
它的类型很多，电路也不一样，但结构具有共同之处，下图所示为集成运放的内部电路组成框图。
图中输入级一般是由BJT、JFET或MOSFET组成的差动放大电路，利用它的对称特性可以提高整个电路的共模抑制比和其他方面的性能，它的两个输人端构成整个电路的反相输入端和同相输入端。
电压放大级的主要作用是提高电压增益，它可由一级或多级放大电路组成。
输出级一般由电压跟随器或互补电压跟随器构成，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。
此外还有一些辅助环节。
如电平移动电路，过载保护电路以及高频补偿电路等。
一个简单运算放大器的原理电路如下图a所示。
VT1、VT2组成差动放大电路，信号由双端输入，单端输出。
为了提高整个电路的电压增益，电压放大级由VT3、VT4组成复合管共射极电路。
由VT5、VT6组成两级电压跟随器而构成电路的输出级，它不仅可以提高带负载的能力，而且可进一步使直流电位下降，以达到输入信号电压uid =ui1-ui2为零时，输出电压uo ＝0和二极管VD组成低电压稳压电路以供给VT9的基准电压，它与VT9一起构成电流源电路以提高VT5的电压跟随能力。
由此可见，运算放大器有两个输入端（即反相输入端1和同相输入端2），与一个输出端3。
与此相对应，在下图b中画出了运算放大器的图形符号，其中反相输人端用“－”表示，同相输人端用“＋”表示。
该器件外端输入、输出相应地用N、P和0表示。
下面以741型集成电路运算放大器作为模拟集成电路的典型例子，其原理电路如下图a所示。
该电路由输入级、偏置电路、中间级和输出级组成。
图b是简化电路。
（1）偏置电路741型集成运放由24个晶体管、10个电阻和一个电容所组成。
在体积小的条件下，为了降低功耗以限制温升，必须减小各级的静态工作电流，故采用微电流源电路。
如图a所示，由＋VCC →VT12→R5→VT11→- VEE构成主偏置电路，决定偏置电路的基准电流IREF 。
集成运算放大器内部电路
集成运算放大器内部电路文件编码（GHTU-UITID-GGBKT-POIU-WUUI-8968）集成运算放大器（以后简称集成运放）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。
它的类型很多，电路也不一样，但结构具有共同之处，下图所示为集成运放的内部电路组成框图。
图中输入级一般是由BJT 、JFET 或MOSFET 组成的差动放大电路，利用它的对称特性可以提高整个电路的共模抑制比和其他方面的性能，它的两个输人端构成整个电路的反相输入端和同相输入端。
电压放大级的主要作用是提高电压增益，它可由一级或多级放大电路组成。
输出级一般由电压跟随器或互补电压跟随器构成，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。
此外还有一些辅助环节。
如电平移动电路，过载保护电路以及高频补偿电路等。
一个简单运算放大器的原理电路如下图a 所示。
VT 1、VT 2组成差动放大电路，信号由双端输入，单端输出。
为了提高整个电路的电压增益，电压放大级由VT 3、VT 4组成复合管共射极电路。
由VT 5、VT 6组成两级电压跟随器而构成电路的输出级，它不仅可以提高带负载的能力，而且可进一步使直流电位下降，以达到输入信号电压u id =u i1-u i2为零时，输出电压u o ＝0和二极管VD 组成低电压稳压电路以供给VT 9的基准电压，它与VT 9一起构成电流源电路以提高VT 5的电压跟随能力。
由此可见，运算放大器有两个输入端（即反相输入端1和同相输入端2），与一个输出端3。
与此相对应，在下图b 中画出了运算放大器的图形符号，其中反相输人端用“－”表示，同相输人端用“＋”表示。
该器件外端输入、输出相应地用N 、P 和0表示。
下面以741型集成电路运算放大器作为模拟集成电路的典型例子，其原理电路如下图a 所示。
该电路由输入级、偏置电路、中间级和输出级组成。
图b 是简化电路。
（1）偏置电路741型集成运放由24个晶体管、10个电阻和一个电容所组成。
第4章 集成电路运算放大电路
④动态时ΔiO约为多少？
4.3 集成运放电路简介
•电压放大倍数高 集成运放的特点： •输入电阻大 •输出电阻小 已知电路图，分析其原理和功能、性能。 （1）了解用途：了解要分析的电路的应用场合、用途和技术 指标。 （2）化整为零：将整个电路图分为各自具有一定功能的基本 电路。 （3）分析功能：定性分析每一部分电路的基本功能和性能。 （4）统观整体：电路相互连接关系以及连接后电路实现的功 能和性能。 （5）定量计算：必要时可估算或利用计算机计算电路的主要 参数。
4.2.1 基本电流源电路
一、镜像电流源
T0 和 T1 特性完全相同。
U BE0 = U BE1 U BE I B0 = I B1 I B I C0 = I C1 I C
I R IC 2I B IC 2 IC IC
2
I R 即I C1
当β>>2时， I C1
学习指导 4.1 集成运算放大电路概述 4.2 集成运放中的电流源 4.3 集成运放电路的简介 4.4 集成运放的性能指标及低频等效电路
4.5 集成运放的种类及选择（自学） 4.6 集成运放的使用（自学） 小结
作 业
• 4.3
学习指导
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。 主要内容:(1)集成运放中的电流源;(2)集成运放 电路的分析;(3)集成运放及主要性能指标。 基本要求:(1)熟悉运放的组成及各部分的作用， 理解主要性能指标及其使用注意事项；（2）了解镜 像电流源、微电流源的工作原理、特点和主要用途； (3)了解运放F007的基本组成和工作原理。（4）熟悉 LM324集成运放的引脚分布及其应用。
第4章集成运算放大电路
2020年4月8日星期三
Shandong University
第3页
模拟电路
二、集成运放电路的组成
两个 输入端
一个 输出端
若将集成运放看成为一个“黑盒子”，则可等效为一个 双端输入、单端输出的差分放大电路。
2020年4月8日星期三
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第4页
模拟电路
集成运放电路四个组成部分的作用
模拟电路
第四章 集成运算放大电路
§4.1 概述 §4.2 集成运放中的电流源 §4.3 电路分析及其性能指标
2020年4月8日星期三
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第1页
模拟电路
§4.1 概述
一、集成运放的特点 二、集成运放电路的组成 三、集成运放的电压传输特性
2020年4月8日星期三
Shandong University
2020年4月8日星期三
Shandong University
第5页
模拟电路
三、集成运放的电压传输特性 uO=f(uP-uN)
在线性区：
uO＝Aod(uP－uN) Aod是差模开环放大倍数。
非线 性区
由于Aod高达几十万倍，所以集成运放工作在线性区时的 最大输入电压(uP－uN)的数值仅为几十～一百多微伏。
特点：IC1具有更高的稳定性。
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第9页
三、微电流源
模拟电路
要求提供很小的静态电流，又不能用大电阻。
IE1 (UBE0 UBE1) Re
U BE
I UT
I I e ， I e E
S
E0 E1
模电课件第四章集成运算放大电路
第四章 集成运算放大电路
§4.1集成运算放大电路概述 一、集成运放的电路结构特点
集成运算放大电路：高电压放大倍数的直接耦合多级放大电路。
2019/7/28
模电课件
二、集成运放的电路组成
1、输入级：运算放大器的输入级通常是差分放大电路，其主 要功能是抑制共模干扰和温漂，双极型运放中差分管通常采 用CC-CB复合管，以便拓展通频带。 2、中间级：电压放大，要求：放大倍数要尽可能大，通常采 用共201射9/7/2或8 共源电路，并采用恒模电流课源件 负载和复合管以增加电压 放大倍数。
工作在放大状态。
当T0与 T1特性参数完全一致时，由U BE0 = U BE1可推得
IB0 = IB1 = IB IC0 = IC1 = Io 由基极输入回路得，
Io
IR
VCC
U BE R
I0 2IB
I0
2
I0
所以，I0
1 1 2
IR
基准电流
输出电流
当
时，I0 IR 。
在集成运放电路中通常只能制作小容量（几十pF）电容，不能 制作大201容9/7/量28 电解电容，级间通常模采电课用件 直接耦合。
四、以电流源为有源负载的放大电路
在集成运放的共射（共源）放大电路中，为了提高电压放大 倍数，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，既获得合适的静态电流，又可以得到很大的等效 的Rc（或 Rd ）。
（1） 运放电路的结构分解 输入级是一个差动放大电路，主要由T1、T3（共集-共基组合）
和T2、T4组成。中间放大级由T16、T17、T13组成共集—共射电路； 输出级由T14、T18 、 T19组成互补输出电路。
§4.1集成运算放大电路概述 一、集成运放的电路结构特点
集成运算放大电路：高电压放大倍数的直接耦合多级放大电路。
2019/7/28
模电课件
二、集成运放的电路组成
1、输入级：运算放大器的输入级通常是差分放大电路，其主 要功能是抑制共模干扰和温漂，双极型运放中差分管通常采 用CC-CB复合管，以便拓展通频带。 2、中间级：电压放大，要求：放大倍数要尽可能大，通常采 用共201射9/7/2或8 共源电路，并采用恒模电流课源件 负载和复合管以增加电压 放大倍数。
工作在放大状态。
当T0与 T1特性参数完全一致时，由U BE0 = U BE1可推得
IB0 = IB1 = IB IC0 = IC1 = Io 由基极输入回路得，
Io
IR
VCC
U BE R
I0 2IB
I0
2
I0
所以，I0
1 1 2
IR
基准电流
输出电流
当
时，I0 IR 。
在集成运放电路中通常只能制作小容量（几十pF）电容，不能 制作大201容9/7/量28 电解电容，级间通常模采电课用件 直接耦合。
四、以电流源为有源负载的放大电路
在集成运放的共射（共源）放大电路中，为了提高电压放大 倍数，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，既获得合适的静态电流，又可以得到很大的等效 的Rc（或 Rd ）。
（1） 运放电路的结构分解 输入级是一个差动放大电路，主要由T1、T3（共集-共基组合）
和T2、T4组成。中间放大级由T16、T17、T13组成共集—共射电路； 输出级由T14、T18 、 T19组成互补输出电路。
第四章 集成运算放大电路
2. 最大输出电压 op-p 最大输出电压U
Uo / V － 10 Uid ＋ ∞ ＋
－0.4
－0.2 －0.1
0 0.1 0.2 0.3 0.4 Uid / mV
－0.3
－10 线性区
集成运放的传输特性
3. 差模输入电阻 id 差模输入电阻r rid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。 F007的rid=2 M 。认为理想集成运 放的rid为无穷大。
动态时，加入差模信号uid，根据差分放大电路的特点， T1 管的集电极电流在静态电流IC1的基础上增加了∆iC1，T2管的集 电极电流在静态电流IC2的基础上减小了∆iC2，∆iC1=-∆iC2。 由于 iC4 和 iC1 是 镜 像 关 系 ， ∆iC4=∆iC1 ， 因 此 ∆io=∆iC4-∆iC2=∆iC1-(∆iC1)=2∆iC1。 可见这个电流值是单端输出电流的两倍， 即等于 差分放大电路双端输出时的电流值。因此，用电流源作为差分 放大电路的有源负载，可将双端输出信号“无损失”地转换成 单端输出信号。
若电路中有共模信号输入，T3 管和T4 管的集电极电流相等 (忽略T7管的基极电流)，T3管和T5管的集电极电流相等，又由于 R1=R3，因此T6管的集电极电流和T5管的集电极电流相等， 如此 推来，T6管和T4管的集电极电流相等，而T16管的基极电流为T4 管和T6管的集电极电流之差，所以T16管的基极电流近似为零， 可见共模信号输出为零，电路具有较高的抑制共模信号的能力。
2. 偏置电路 偏置电路由T8~T13、电阻R4和R5组成。其中T10、T11、 T12 和R4、R5构成主偏置电路，该电路中R5上的电流是F007偏置电 路的基准电流，由图可知
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第四章
集成运算放大器的内部电路设计
4.1 集成运放电路电路概述 集成运放的特点：
1.高增益直接耦合放大器
2.尽量用有源器件代替无源元件 3.利用对称结构改善电路.集成度高，功耗小
第四章
集成运算放大器的内部电路设计
4.2 集成运放电路中的电流源电路
1.单管电流源电路
UB R2 U CC R1 R2
U B U BE IC IE R3
R3 U RO rce 1 rbe R3 R1 || R2 IO
第四章 2. 镜像电流源
集成运算放大器的内部电路设计
I REF
U CC U BE1 R
第四章
集成运算放大器的内部电路设计
模拟电子电路及技术基础
孙 肖 子
西安电子科技大学
第四章
集成运算放大器的内部电路设计
《模拟电子电路与技术基础》课程的特点是
“概念性、工程性、实践性“强！
“注重物理概念，采用工程观点； 重视实验技术，善于总结对比； 理论联系实际，注意应用背景； 寻求内在规律，增强抽象能力。”
集成运算放大器的内部电路设计
1 N 1
多集电极晶体管电流源
第四章 3.比例电流源
集成运算放大器的内部电路设计
U BE1 I E1R1 U BE 2 I E 2 R2
U BE1 U BE 2
I E1R1 I E 2 R2
IC 2 I E 2 RE1 RE1 I E1 I REF RE 2 RE 2
IC 2 IC1 I REF I B3 I REF I REF 2I B 2 I REF 1 IE3 1 2IC 2 1
1 I I C2 REF 2 1
I REF
第四章
集成运算放大器的内部电路设计
式中
uid ui1 ui 2 ui1 ui 2 uic 2
3、差模增益和共模增益 差模电压增益定义
Ad
Ac
u od u id
u oc u ic
共模电压增益定义
总的输出电压
u o u od u oc Ad u id Ac u ic
第四章
集成运算放大器的内部电路设计
UCE1Q UCE2Q UCC 0.7 IC1Q RC
第四章
集成运算放大器的内部电路设计
(2)动态分析 1) 双端输入，双端输出工作方式。 ① 双端输入，双端输出差模电压增益。
RE
等效为对地短路
负载电阻 R L 中点的交流信号电位为零
差摸输入交流等效电路
小信号等效电路
第四章
集成运算放大器的内部电路设计
uid ui1 ui 2 2ui1
两端输入完全相同的信号称为共模信号uic
uic ui1 ui 2 2
第四章
集成运算放大器的内部电路设计
任意信号：当 ui1 ui 2 时，称它们为任意信号， 任意信号可以分解为差模信号和共模信号之和
u u u u 1 ui1 i1 i 2 i1 i 2 uic uid 2 2 2 u ui1 ui 2 ui1 ui 2 u 1 u ic id i2 2 2 2
第四章
集成运算放大器的内部电路设计
4.1 集成运放电路电路概述
集成电路(IC：Integrated Circuit)是在同一块微 小的硅片上经过氧化、光刻、扩散、外延、蒸铝等 工艺，将电阻、二极管、晶体管、场效应管及小电 容和它们之间的连线组成的完整电路制作在一起， 最后再进行封装，形成的一个实现特定功能的完整 电路。
结构特点: 结构高度对称, 有两个输入端,两个输出端,
第四章 1、抑制零漂原理
T (C )
集成运算放大器的内部电路设计
I C1 I C1 I E1
U BE1
I B1 IB2
IC 2 IC 2
IE2
2I E
U Rg
U BE 2
2、差模信号和共模信号
两端输入信号大小相同、极性相反的信号称差模信号 u id
' u od u o1 -u o2 2u o1 RL Ad u id u i1 u i2 2u i1 RB rbe
' RL RC / /
RL 2
差模输入电阻
uid 2uid1 Rid 2RB rbe ib ib
差模输出电阻
Rod 2RC
第四章
因为
所以
2 2 2 IC3 IREF 1 2 ) I REF I REF ( 2 2 2 2 2
第四章
集成运算放大器的内部电路设计
6.改进型电流源-----加射随器隔离的电流源 利用 T3 的隔离和电流 放大和作用，减少了基极 电流 I B1 和 I B 2 对基准电流 I REF 的分流作用，
第四章
集成运算放大器的内部电路设计
4.1 集成运放电路电路概述 集成运放的组成：
ui1 ui2
反向输入 差动输入级 同向输入 偏置电路 中间放大级 输出级
uo
1.输入级 输入电阻高、差模电压放大倍数大、共模信号抑制能 力强、静态电流和失调偏差小。 2.中间级 提供足够大的电压放大倍数，多采用共发射极(或共源极) 3.输出级 提高输出功率、降低输出电阻(即提高带负载能力)、减小 非线性失真和增大输出电压的动态范围。 4.偏置电路 采用恒流源电路.
集成运算放大器的内部电路设计
②双端输入，双端输出共模电压增益。
共模输入差分放大电路
共模输入信号的交流通路
第四章 共模电压增益为 共模抑制比
集成运算放大器的内部电路设计
AC u OC u -u OC1 OC2 0 u ic u ic
KCMR
Ad AC
共模输入电阻
RiC
uic uic 1 RB rbe 2(1 ) RE ic 2ib1 2
IC 2 2
IC1 IC 2 I REF 2I B I REF
I C 2 I REF
1 (1 2
)
镜像电流源的温度补偿作用
I C 2 I REF
U CC U BE1 U CC R R
第四章 多路镜像电流源
I c 2 I c 3 I cn I REF
共模输出电阻
Roc 2Rc
第四章
集成运算放大器的内部电路设计
2) 双端输入，单端输出工作方式。 ①双端输入，单端输出差模电压增益。
双入单出差模交流通路
双入单出共模交流通路
第四章 差模电压增益为
集成运算放大器的内部电路设计
' u o1 u o1 u o1 RL 1 Ad1 Ad uid ui1 ui2 2ui1 2( RB rbe ) 2
4.3.3 带恒流源的差分放大电路
RE
1、T3、R1 、 R2 、 R3 组成恒流源电路，
2、 T3 管C--E极之间的交流等效电阻 rce3 用
改进的多输出镜像电流源
第四章
集成运算放大器的内部电路设计
4. 2. 2场效应晶体管组成的电流源 T1一定工作于恒流区 T1、T2的电性能完全相同
I REF I D1 I D 2
ID
U DD U GS R
nCOX W (U GS U GS (th ) )2 2 L
I D1 W1 / L1 I D 2 W2 / L2
IO2 2I REF
， IO3 5I REF
P沟道FET电流镜的宽长比的比值 为2：10：4＝1：2：5，所以有
IO4 IO3 5I REF
IO5 5IO3 25I REF
IO6 2IO3 10I REF
第四章
集成运算放大器的内部电路设计
4. 2. 3 电流源的主要应用----有源负载
RB rbe1
第四章
集成运算放大器的内部电路设计
有源负载射级跟随器
第四章 4．3差分放大电路 4.3.1 零点漂移现象
集成运算放大器的内部电路设计
所谓的零点漂移，就是当 输入信号为零时，输出信号是 一个随时间变化，漂移不定的 非零信号
第四章
集成运算放大器的内部电路设计
4.3.2一般差分放大电路的特性分析
ric
rOC RC
第四章
集成运算放大器的内部电路设计
3） 单端输入的差分放大电路
： 单端输入单端输出 可看作是任意输入的一个特例 ui1 ui 2 ui uid ui 共模信号 uic 差模信号 uid 1 uid 2 2 2 2 2
第四章
集成运算放大器的内部电路设计
5.威尔逊电流源— 第四章 负反馈型电流源
集成运算放大器的内部电路设计
U CC U BE 3 U BE 2 R
I REF
IC1 IREF IB3 IREF IC3 /
2 IE3 IC2 IB1 IB2 IC 1
I E3 IC3 1
第四章
集成运算放大器的内部电路设计
MOS多输出电流源电路
I D1 W1 / L1 I D1 W1 / L1 I D1 W1 / L1 , , I D 2 W2 / L2 I D3 W3 / L3 I D 4 W4 / L4
第四章 例
集成运算放大器的内部电路设计
对于N沟道FET组成的电流镜，宽 长比的比值为2：4：10＝1：2：5， 所以有
一般情况下 RB rbe 2(1 )Re 且 1