第六章 集成运算放大器

集成电路简介

恒流源

差动放大电路

集成运算放大器

模拟乘法器

放大电路的噪声和干扰（自学）

§6.1 集成电路简介• 3 、 4 、 5 章内容是学习分立器件及其应用（放大

器）电路，是学习集成电路（ IC ）和 IC 应用电路的基础。

• IT （信息产业）：– 基础产业

• IC 芯片制造业（芯片设计、半导体和微电子技术）

– 应用产业• 基于 IC 的应用，包括：电信、广播电视和家电、

计算机和网络、控制和自动化等– EDA （电子设计自动化）

• 链接这两个环节（属于电子线路设计的范畴）

集成电路简介• 集成电路（ IC ）

– 数字集成电路– 模拟集成电路– 数 / 模混合集成电路

• 集成电路（ IC ）应用电路– 种类繁多、门类齐全，如

• 集成运放（通用 IC ）• 集成乘法器（通用 IC ）• 集成锁相环• 集成功放• 集成稳压器• 集成宽带放大器

– 另有：专用集成电路（电视机、收音机 IC 等）

集成放大器的符号和外形

(a) (b) (a) 国家标准符号 (b) 通用符号

运算放大器外形图

模拟集成运放特点及构成 集成运算放大器是一个高增益直接耦合放大电路 输入级一般采用高性能的差分放大电路，利用其对称性 来抑制温漂和噪声。这是芯片性能好坏的关键

偏置电流源可提供稳定的几乎不随温度而变化的偏置电流，以稳定工作点。

主要考虑功率输出（带负载能力强）和过载保护。具体电路参阅功率放大器。

中间放大级要提供高的电压增益，以保证运放的运算精度。一般采用复合管和带有源负载的共射放大电路。

模拟集成运放特点及构成• 结构：

– 输入级– 中间级– 输出级– 偏置级

• 从制造工艺来看：– 采用直接耦合的电路结构（不宜做大电容和电感）；– 输入级（及其它）常用差动电路（利用对称性做补

偿）；– 大量采用恒流源电路（偏置和有源负载），做晶体管

比做电阻等元件容易。也常常采用组合电路形式。• 优点：体积小、功耗小、功能强、可靠性好。

§6.2 电流源电路 ( 恒流源 ) BJT 电流源

电流源的作用 射极偏置电路（基本电流源） 镜像电流源 微电流源 高输出阻抗电流源（威尔逊电流源） 组合电流源

MOS 电流源 镜像电流源 多路电流源

1. 电流源的作用

动态：做有源负载， 使 Av 增大

beb

Lv rR

RA

β

+VCC

RC

+

-

RL

Rb

VBB

+

-vi vo

I

静态：保证 IC 恒定

理想恒流源的电流恒定、内阻无穷大。

2. BJT射极偏置电路（基本电流源） 当 VCC ， Rb1 ， Rb2 ，

Re 确定后， VBB 一定，RC 在一定范围内变化， I

C 基本不变—恒流。

1 2

(1 )

(1 )

:

//

eO ce

be b e

ce

b b b

RR r

r R R

r

R R R

其中

ro

IC

ro

Rb1

Rb2 Re

VCC

RC

RC

ReVBB

Rb VCC

IC

21 bbb R//RR

CCbb

bBB V

RR

RV

21

2

β1

be

BEBBEC R

R

VVII

P136~137 推导

ro

基本电流源内阻推导. . . .

b b b be e b o

. . . . .

o o b ce e b o

( ) 0

( - ) ( ) 0

I R I r R I I

V I I r R I I

]++

+[≈

)]-(++

++[=

ceebeb

ece

.

o

.

o

eceebeb

eece

.

o

.

o

rβRrR

RrIV

RrβRrR

RRrIV

)r)RrR

Rr

I

Vr . β+(1≈

β+(1= ce

ebeb

ece

o

.

oo

R

CC

IR

I IB2B1T1 T2

IC2

V

IE1IE2

IC1

RL

3. BJT镜象电流源

:2时有当

RBBRC IIIII

2

)(- 211

2 1

-CC BEC C R

V VI I I

R

优点：只要 T1 和 T2 的构造相同， IC1≈IR ，结构简单 ; 温度稳定性好缺点：输出电流太大，且受电源电压和 VBE 的影响。

动态电阻 ce1

2CE

2Co 2B

)( rv

ir I

由于有 T3存在， IB3 比镜象电流源的 2IB 小 β3倍。因此 IC2 和 IR更加接近。精密镜象电流源和普通镜象电流源相比，其精度提高约 3倍。

精密镜象电流源

3

1

331

ββ2-≈

1β

2--

CR

BRBRC

II

IIIII

RCC III2ββ

ββ

3

312

RL

IR=?是否受 VBE影响？

4. BJT 微电流源eEBEBEBE RIVVV 221 -

e

BEEC R

VII

Δ=≈ 22

CCV

IRR

IC1

Re

IC2

+

_VBE1

+

_VBE2

T1 T2

2IB

IE1 IE2

RL

由于 很小，BEV

所 以 IC2 也 很小ro≈rce2 （ 1 ＋ ）

e2be2

e2

RrR

5. BJT 威尔逊电流源

R

VVVVI EEBEBECCR

32

RCO IA

AII

1

32

-VEE

A1 、 A3 分别是 T1 、 T3 的结面积

6. BJT 组合电流源 T1 、 R1 和 T4 支路产生基准电流 IR

EF

T1 和 T2 、 T4 和 T5 构成镜像电流源

T1 和 T3 ， T4 和 T6 构成了微电流源

1

EB4BE1EECCREF R

VVVVI

R

IR

T0

R0

T1 T2 T3

R1 R2 R3

IC1IC2 IC3IC0

IE0IE1 IE2 IE3

CCV

BJT 多路电流源由于各管的 β 、 VBE 相同，所以有： IE0 R0 ≈IR R0 = IE1 R1 = IE2 R2 = IE3 R3

1

011 =≈

R

RIII REC

2

022 =≈

R

RIII REC

3

033 =≈

R

RIII REC

β-0

BRC

III

当 β较大时，IC0 ≈ IE0 ≈IR

∑IB

BJT 电流源应用设 T2与 T3 管特性完

全相同，因而 ， IC2=IC3 。基准电流

T1 管的集电极有源负载交流电阻很大， T1 管的基极电流经放大后，全部流向负载，所以有源负载使电路的电压放大倍数增大

 

课堂讨论• 会看

– T1 、 T2 在电路中的作用 ?

• 会算– T1发射极电流 ?

– 电路电压放大倍数 ?

• 作业– 6.1.1– 6.1.3

7. MOS 镜像电流源

当器件具有不同的宽长比时

R

VVVIII GSSSDD

REFD2O

REF11

22O /

/I

LW

LWI （ =0 ）

ro= rds2

MOS 镜像电流源

2T2GS22n

2T2GS22n2D2

)(

)()(

VVK

VVKL

WI

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

　MOS 多路电流源 T0~T4为 N沟道增强型MOS 管，漏极电流 ID正比于沟道的宽长比，这样通过改变场效应管的几何尺寸来获得各种数值的电流。

011

222 /

/DD I

LW

LWI 0

11

444 /

/DD I

LW

LWI

011

333 /

/DD I

LW

LWI

2T0GS0n0D0REF )( VVKII

01 DD II

电流源总结• 电路形式

– 基本电流源– 镜像电流源– 微电流源– 组合电流源

• 特点– 直流是电流恒定– 动态时输出电阻很大，作负载

• 在电路中的作用– 直流时为有源器件提供静态工作电流– 动态时作为放大器的有源负载，提高电路增益