集成电路运算放大器-电流源-差分放大电路
集成电路运算放大器中的电流源
双端输入 单端输入 双端输入 单端输
入
双端输出
单端输出
Avd bRL / rbe , RL = RC // RL 2 bRL 2 rbe , RL = RC // RL
Rid
Ro Avc
K CMR Ric
2 rbe
2 RC
RC
0
RL / 2REE
b REE / rbe g m rbe
rbe 1 b2REE
把直流电源、Vic 都短路；
RL 两臂各分一半； 两臂的差模信号电流大
小相等、方向相反，同
时流过T4 时抵消，使T4 无差模电流、也无差模
电压，T4、 R1 可视作短
路（或开路）， 这里作短路处理；对于RW：两臂各分一半。
Avd
=
r be
b RL
1 b
RW
= 80 3.3 // 5.5 48
2 1.3 81 0.025
例2：b = 80 V BE = 0.2V rce = 50k
一、估算Q点：
I
CQ 4
I
R
V
CC V EE
R3 R2
=
24 5.7
4.2mA
I CQ1 = I CQ2 = I CQ4 2 = 2.1mA
V V V V I R =
=
CEQ1
CEQ 2
CC
E1
CQ1 C
= 12 0.2 2.13.3 5V
KCMR =
Avd Avc
K CMR
=
20 lg
Avd Avc
dB
（1）双端输出时KCMR为无穷大
K A A =
CMR
vd
vc
（2）单端输出时共模抑制比
第三章 差动放大电路及集成运算放大器 第一节差动放大电路
差动放大电路及集成运算放大器
3.1.1.1 差动放大电路的基本结构 差动放大电路如图３-１所示。
图3-2中可以算出差模输入电阻为: Rid＝２(ｒbe+Rb) 输出电阻为： Rο＝２RC
差动放大电路及集成运算放大器
3.1.3 共模输入信号与共模抑制比ＫCMR
在差动放大器两输入端同时输入一对极性相同、幅度相 同的信号称为共模输入方式。定义共模信号uic为两个输入信 号的算术平均值，即：
uic
ui1
差动放大电路及集成运算放大器
因此，其差模电压放大倍数为：
Aud
uo uid
Rc
Rb rbe
上式说明，该电压放大倍数与单管共射放大电路的电压
放大倍数相等。
这里我们用两套电路的元件实现的电压放大倍数和一套 电路相同。但该电路具有很好的超低频性能和很强的抑制零 点漂移的能力，这个问题下面还要详细讨论。
uo uo1 uo2 2uo1
差动放大电路及集成运算放大器
由图3-2可以计算出VT1、VT2的输出电压分别为：
VT1的输出电压：
uo1
Rcuid
2(Rb rbe )
VT2的输出电压：
uo 2
Rcuid
2(Rb rbe )
则差动放大电路的双端输出电压为：
uo
uo1
uo2
RCuid
Rb rbe
在一些超低频及直流放大电路中，级间耦合必须采用直 接耦合方式。直接耦合电路既能放大交流信号又能放大直流 信号，具有相当好的低频特性，所以又常称为直流放大器。 但由于其内部各级电路的静态工作点相互影响,给电路设计 和调整带来诸多不便。
第八章：集成运放放大电路
+
+ uo uo1 IR e
-
Rc
+ RL u -o2 T2 Rb E
u ic
uo= 0 (理想化)。
_V
Re
+ ui2 －
EE
共模电压放大倍数
Auc 0
8.2.3 具有恒流源的差分放大电路
根据共模抑制比公式： Re K CMR Rb rbe 加大Re，可以提高共模抑 制比。为此可用恒流源T3来 + 代替Re 。 u
8.2 差分放大电路
差分放大电路（Differential Amplifier） 又称差动放大电路，简称差放，是构成 多级直接耦合放大电路的基本单元电路。 它具有温漂小、便于集成等特点，常用 作集成运算放大器的输入级。
8.2.1 直接耦合放大电路的零点漂移现象 1. 零点漂移现象及其产生的原因 直接耦合放大电路在输入信号为零时， 会出现输出端的直流电位缓慢变化的现 象，称为零点漂移，简称零漂。
uo2 T2 Rb -
Au d
u i1 RL － ( Rc // )
u id
2
Rb rbe
2
+ ui2 －
+
ib
+
ic rbe β ib RL uo1
2
差模输入电阻:
+
Rid 2Rb rbe
输出电阻:
ui1 +
Rb
+
RC
-+
Ro 2Rc
(2)加入共模信号
ui1=ui2 =uic， uid=0。 设ui1 ，ui2 uo1 ， uo2 。 因ui1 = ui2， uo1 = uo2
差分放大电路
差分放⼤电路6.1集成电路运算放⼤器中的电流源1．基本电流源 分压式射极偏置电路为基本电流源电路。
当三级管⼯作在放⼤区，由于射极电流仅由两分压电阻决定， 因此当负载发⽣变化（也即集电极电阻发⽣变化），输出电流（即集电极电流）保持不变，体现了恒流特性。
2．有源负载 由于电流源具有直流电阻⼩⽽交流电阻⼤的特点，因此在模拟集成电路中，常把它作为负载使⽤，称为有源负载。
3．电流源的应⽤（1）为集成运放各级提供稳定的偏置电流；（2）作为各放⼤级的有源负载，提⾼电压增益。
6.2差分式放⼤电路主要作⽤：作为多级放⼤电路的输⼊级，抑制零点漂移。
⼀、基本差分放⼤电路电路特点：由两个互为发射极耦合的共射电路组成，电路参数完全对称。
它有两个输⼊端，两个输出端，当输出信号从任⼀集电极取出，称为单端输出，⽽当从两个集电极之间取出，则称为双端输出或浮动输出。
1．差分式放⼤电路的类型：按输⼊和输出的⽅式分为：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。
2．静态分析 静态是指⽆外输⼊信号时电路所处的状态。
因此，在进⾏静态分析时，应把输⼊信号置零，即输⼊端短路。
共⽤电阻Re在半电路中应等效为2*Re。
3．动态分析（1）差模信号与共模信号 在讨论差分放⼤电路的性能特点时，必须先区分差模信号和共模信号这两个不同的概念，因为差分放⼤电路对差模信号和共模信号具有完全不同的放⼤性能。
⼀对任意数值的输⼊信号可以⽤差模信号和共模信号来表⽰。
通常，可以认为，共模信号是由⼀对幅值相等、极性相同的输⼊信号组成，差模信号是由⼀对幅值相等、极性相反的输⼊信号组成。
（2）垂直对称⽹络的⼆等分 垂直对称⼆端⼝⽹络，当在两输⼊端分别加上幅值相等、极性相同的信号和幅值相等、极性相反的输⼊信号时，其垂直对称线上分别等效为开路和对地短接。
这样，⼀个⼆端⼝⽹络变分解为两个半⽹络。
（3）差模信号输⼊ 将差分放⼤电路分解为两个半电路，在半电路中：双端输⼊：共⽤电阻Re短接或恒流源交流短接；单端输⼊共⽤电阻Re或恒流源开路。
集成电路运算放大器-电流源-差分放大电路
Avd = −
β ( Rc // rbe
1 RL ) 2
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3. 主要指标计算 （1）差模情况
<B> 双入、单出 Avd1
vo1 vo1 = = v id 2vi1
差分式放大电路对共模信号有很强抑制作用
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3. 主要指标计算 （1）差模情况
<A> 双入、双出
vo1 − vo2 vo = Avd = vi1 − vi2 vid 2vo1 βR =− c = rbe 2vi1
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。
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2. 抑制零点漂移原理
6.1 集成电路运算放大器中的电流源
在模拟集成电路中，广泛地使用电流源，为放大电路 提供稳定的偏置电流，或作为放大电路的有源负载。
• 镜像电流源 • 微电流源 • 多路电流源 • 电流源用作有源负载
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6.1.1 BJT电流源电路
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6.1.2 FET电流源
运算放大器电路原理
运算放大器电路原理运算放大器（Operational Amplifier，简称Op-Amp）是一种极为重要的电子元器件，广泛应用于各种电路中。
它具有高增益、差分输入、单端输出等特点，能够放大电压、电流和功率等信号，并提供微弱信号的放大和处理功能。
本文将介绍运算放大器的基本原理及其电路结构。
一、运算放大器的基本原理运算放大器是一个多元件集成电路（IC），通常由几个晶体管、电阻和电容器等元件组成。
它的核心部分是一个差分放大器，具有高增益特性。
运算放大器的输出电压与输入电压之间的关系可以通过下面的公式表示：Vout = Av (V+ - V-)其中，Vout为输出电压，Av为放大器的开环增益，V+和V-分别为非反相输入和反相输入。
二、运算放大器的电路结构运算放大器的电路图可以简化为以下几个主要部分：1.差动放大器：差动放大器是运算放大器的核心部分，它由两个输入电源、两个输入电容和两个晶体管等电路组成。
它的作用是将输入信号进行差分放大，增益高达几千倍。
2.电流镜：电流镜是一个由晶体管组成的电流源，用于提供稳定的电流输出。
它的作用是保持差动放大器的工作点稳定，使得差动放大器的输出可以线性放大。
3.级联放大器：级联放大器由多个差分放大器组成，用于提高整个运算放大器的放大倍数。
每个差分放大器都会放大之前的放大器的输出信号。
4.反馈网络：反馈网络是运算放大器的重要部分，通过它可以实现对输出信号进行控制和调整。
反馈网络可以分为正反馈和负反馈两种形式，具体的选择取决于应用的要求。
三、运算放大器的应用运算放大器在电子电路中具有广泛的应用，主要包括以下几个方面：1.信号放大：运算放大器可将输入信号放大到所需的幅度，用于增强微弱信号。
2.滤波：运算放大器可以配合电容器和电阻等元件，构成滤波电路，用于滤除不需要的频率成分，提取特定频率的信号。
3.比较器：运算放大器可以作为比较器使用，用于判断输入信号的大小关系，并输出相应的逻辑电平。
集成运算放大器的分类和组成
《集成运算放大器的分类和组成》摘要：集成运算放大器简称集成运放，是由多级直接耦合放大电路组成的高增益模拟集成电路。
它是一种高放大倍数、高输入电阻、低输出电阻、集成化了的直接耦合多级放大器。
它在自动控制、测量设备、计算技术和电信等几乎一切电子技术领域中获得了日益广泛的应用。
关键词：集成运算放大器封装样式使用注意事项一、集成运算放大器的分类集成运算放大器可以按照人们的不同需求进行多种划分，具体有以下几种类别。
1.按照集成运算放大器的参数分类（1）通用型运算放大器通用型运算放大器就是以通用为目的而设计的。
这类器件的主要特点是价格低廉、产品量大、面广，其性能指标适合一般性的使用。
如mA741（单运放）、LM358（双运放）、LM324（四运放）及以场效应管为输入级的LF356。
它们是目前应用最为广泛的集成运算放大器。
（2）高阻型运算放大器这类集成运算放大器的特点是差模输入阻抗非常高，输入偏置电流非常小，一般rid>（109～1012）W，IIB为几皮安到几十皮安。
实现这些指标的主要措施是利用场效应管高输入阻抗的特点，用场效应管组成运算放大器的差分输入级。
用FET作输入级，不仅输入阻抗高，输入偏置电流低，而且具有高速、宽带和低噪声等优点，但输入失调电压较大。
常见的集成器件有LF356、LF355、LF347（四运放）及更高输入阻抗的CA3130、CA3140等。
（3）低温漂型运算放大器在精密仪器、弱信号检测等自动控制仪表中，总希望运算放大器的失调电压较小且不随温度的变化而变化。
低温漂型运算放大器就是为此而设计的。
目前常用的高精度、低温漂运算放大器有OP-07、OP-27、AD508及由MOSFET组成的斩波稳零型低漂移器件ICL7650等。
（4）高速型运算放大器在快速A/D和D/A转换器中，要求集成运算放大器的转换速率SR一定要高，单位增益带宽BWG一定要足够大，像通用型集成运放是不适合高速应用的场合的。
集成运算放大器的组成以及各组成部分的特点
集成运算放大器的组成以及各组成部分的特点集成运算放大器（Integrated Operational Amplifier，简称Op Amp）是一种常用的集成电路芯片，是现代电子电路中不可或缺的基础组件之一、它主要由差分放大器、电压放大器、恒流源、输出级等几个主要组成部分构成，并具有高放大倍数、高输入阻抗、低输出阻抗、宽频带等特点。
在电子电路设计和实际应用中，集成运算放大器应用广泛，被广泛应用于放大、滤波、积分、微分、比较和运算等许多各种电路。
一、差分放大器：差分放大器是集成运算放大器的核心部分，它由两个共射放大器组成的，具有以输入信号差模态进行放大的功能。
差分放大器的特点主要有以下几点：1.高增益：差分放大器的增益是非常高的，通常可以达到几万倍以上，可以在输入信号很弱的情况下放大到足够的幅度。
2.共模抑制比较高：差分放大器可以抑制输入信号的共模干扰，使得只有差模信号被放大，提高了系统的稳定性和抗干扰能力。
3.输入阻抗较高：差分放大器的输入阻抗一般在几十到几百兆欧之间，可以将输入信号的阻抗影响降到最低，不会对源产生较大的负载。
4.低失调电压：差分放大器的失调电压很小，通常只有几微伏，可以保证输出信号的准确性和稳定性。
二、电压放大器：电压放大器是集成运算放大器的主要功能之一，它可以将小信号放大到较大的幅度。
电压放大器具有以下几个特点：1.高增益：电压放大器的增益通常在几千倍到几万倍之间，可以放大输入信号的幅度，以适应后续电路的要求。
2.输入阻抗高：电压放大器的输入阻抗较高，通常在几百兆欧或以上，可以减少对源电路的负载，避免信号失真。
3.输出阻抗低：电压放大器的输出阻抗很低，通常在几十欧姆以内，可以提供较大的输出电流，提高系统的稳定性和抗干扰能力。
4.宽频带：电压放大器的带宽很宽，可以在较高的频率范围内放大信号，使得系统的传输速度更快。
三、恒流源：恒流源是集成运算放大器的重要组成部分，它主要用于提供恒定的电流源，供电放大器工作。
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1. 电路组成及工作原理 动态
v O1 和
仅输入差模信号，v i1 和 v i2 大小相等，相位相反。 v O2大小相等， 相位相反。 v o = v O1 − v O2 ≠ 0 ，
信号被放大。
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6.1.2 FET电流源
2. MOSFET多路电流源
I REF = I D0 = K n0 (VGS0 − VT0 ) 2 I D2 I D3 I D4 W2 / L2 I REF = W1 / L1 W 3 / L3 = I REF W1 / L1 W4 / L4 = I REF W1 / L1
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集成运放的组成：输入级
输入级
中间级
输出级
偏置电路
输入级 通常要求 有 尽可 能低的 零点漂移 ， 较 高的 共 模抑制能力，输入阻抗高及偏置电流小，因此一般采用差 分放大电路。
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6.1.2 FET电流源
3. JFET电流源
(a) 电路
(b) 输出特性
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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
以双倍的元器件换 取抑制零漂的能力 接入负载时
Avd = −
β ( Rc // rbe
1 RL ) 2
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3. 主要指标Байду номын сангаас算 （1）差模情况
<B> 双入、单出 Avd1
vo1 vo1 = = v id 2vi1
∆VBE = Re2
由于 ∆VBE 很小， 所以IC2也很小。
βRe2 ro≈rce2（1＋ ） rbe2 + Re2
′） （参考射极偏置共射放大电路的输出电阻 Ro
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例 图示电路为串级电流源，已知VBE=0.6 V，求输出电流Io。 解 由图可得
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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 v oc = voc1 − v oc2 ≈ 0 voc 共模增益 Avc = v ≈ 0 ic
引言 6.1 集成电路运算放大器中的电流源 6.2 差分式放大电路 6.3 集成电路运算放大器 6.4 集成电路运算放大器的主要参数 6.5 专用型集成电路运算放大器
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引言 引言
集成电路
采用硅平面制造工艺，将二极管、三极管、电阻、电容等 元器件以及它们之间的连线同时制造在一小块半导体基片上， 并封装在一个外壳内，构成具有特定功能的电路和系统。
集成运放的组成：中间级
输入级
中间级
输出级
偏置电路
中 间级 主要承担 电压放大的 任务 ，多采用 共射或共源 放大电路。 为了提 高电压放大倍数， 经常采用 复 合管 做 放大管， 用恒流源做有源负载。
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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。
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2. 抑制零点漂移原理
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
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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。
6.2.2 射极耦合差分式放大电路
1. 电路组成及工作原理
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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
I C1 = I C2
VCE1 = VCE2
1 = IC = IO 2
= VCC − I C Rc2 − VE = VCC − I C Rc2 − ( − 0.7 V ) I B1 = I B2 IC = β
= Avd v id + Avc v ic
Avd K CMR = Avc 共模抑制比 反映抑制零漂能力的指标
′ ——共模信号产生的输出 v′ o
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6.2.1 差分式放大电路的一般结构
2. 有关概念 根据 v id = v i1 − v i2 1 v ic = (v i1 + v i2 ) 2 v id 有 v i1 = v ic + 2 v id v i2 = v ic − 2
集成运放的组成 ：输出级
输入级
中间级
输出级
偏置电路
输出级要求具有一定的带负载能力（即输出电阻小） 和一定的输出电压及电流动态范围 。因此 输出级多采用射 极输出器、 互补对称电路。
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集成运放的组成：偏置电路
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简化电路
输入级
偏置电路
T1、T3 和 T2、T4 T5、T6 有源负载
中间级
T7、T8
复合管，共发射极 具有高增益 输出级 输入级 中间级 输出级
T11 ∼ T13
甲乙类互补对称功率放大电路 (OCL) 采用单电源(OTL)时，输入端静态电位应为 0.5VCC。
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6.1.1 BJT电流源电路
1. 镜像电流源 动态电阻
∂i C 2 − 1 ro = ( ) ∂vCE 2
IB 2
= rce
一般ro在几百千欧以上
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6.1.1 BJT电流源电路
2. 微电流源
I O = I C2 ≈ I E2 = VBE1 − VBE2 Re2
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λ=0时，输出 电流为
′ 2 (VGS2 − VT2 ) 2 I D2 = (W / L) 2 K n = K n 2 (VGS2 − VT2 ) 2
常用的镜像电流源
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1. MOSFET镜像电流源
I O = I D2 = I REF VDD + VSS − VGS = R
当器件具有不同的宽长比时
W2 / L2 IO = ⋅ I REF （λ=0） W1 / L1
ro= rds2
MOSFET基本镜像电路流
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集成运算放大器
高增益、高输入电阻、低输出电阻的直接耦合的集成的具 有很高电压放大倍数的多级放大电路。
集成电路的工艺特点
（1）元器件具有良好的一致性和同向偏差，因而特别有利于实 现需要对称结构的电路。 （2）集成电路的芯片面积小，集成度高，所以功耗很小，在毫 瓦以下。 （3）不易制造大电阻。需要大电阻时，往往使用有源负载。 （4）只能制作几十pF以下的小电容。因此，集成放大器都采用 直接耦合方式。如需大电容，只能外接。 （5）不能制造电感，如需电感，也只能外接。 （6）一般无二极管，用三极管代替(B、C 极接在一起)。
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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
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6.2.1 差分式放大电路的一般结构
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。
iC1↓ iC1↑ → iE1↑ 温度↑ iC2↑ → iE2↑ iC2↓ vE ↑ → vBE1 和 vBE2↓ → iB1 和 iB2↓ （vB1、vB2 不变）
6.1 集成电路运算放大器中的电流源
在模拟集成电路中，广泛地使用电流源，为放大电路 提供稳定的偏置电流，或作为放大电路的有源负载。
• 镜像电流源 • 微电流源 • 多路电流源 • 电流源用作有源负载
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