1.1 集成运放的基本组成电路

集成运放是由各个单元电路组成的，品种繁多的集成运放内部电路，不仅结构有很多相似之处，而且许多集成运放所用的单元电路的性能也很接近。

本节简要介绍差动输入电路、恒流源电路、有源负载电路、双端变单端电路、直流电平位移电路、互补推挽输出电路等单元电路，它们是集成运放的基本组成电路。

1.1.1 差动输入电路

1.差动放大电路的基本特性

图1-1-1所示为差动放大电路的基本形式。它是由两个完全对称的共射电路组成的，晶体管VT1和VT2完全匹配，集电极电阻Rc1=Rc2=Rc。

当输入状态不同时，差动放大器的工作情况也有所不同。下面分别予以说明。

（1）输入差模信号时（即ui1=-ui2）

①电压增益和输入电阻

这种输入方式的ui1与ui2相位相反，所以流经VT1，VT2的电流变化相位也相反。由于ui1与ui2幅度相同，则VT1，VT2两管电流将有相同的变化幅度。因此，射极电阻Re中的电流变化为零。所以当差模信号输入时，差动放大器的交流等效电路如图1-1-2所示。

此时VT1，VT2均相当于普通的共射单管放大器。显然，当电路两边完全对称时，两管输出电压的相位相反，幅度相等。因此上述电路对称输出（也称差分输出）时的电压增益为

式中，Au是单管共射放大器的电压增益。

若是单端输出，该电路的电压增益将减半。

图1-1-3所示为单管共射放大器的低频小信号等效电路，可求得单管共射放大器的电压增益为

式中，RL是放大器的负载电阻。

单管共射放大器的源电压增益为

式中，ri是单管共射放大器的输入电阻，Rs1是信号源us1的内阻，Rb是放大器的基极偏置电阻。

当电路两边不对称时，两边输出信号将不平衡。但可以证明，只要Re取得足够大，就能有效地克服这种不平衡性。

差模输入时，放大器两输入端之间的差模输入电阻Rd是单管放大器的2倍，即Rd为

在室温条件下，当β很大，信号源内阻很小时，Rd可近似表示为

式中，IB是三极管基极电流。

当三极管工作电流很小时，如在十几微安以下时，上式可改写为

由上述两式，根据晶体管的基极电流值就可以估计放大器的输入电阻。

②跨导

为了便于估算差动放大器的增益，常引入差动放大器跨导的概念。双极型三极管的跨导定义为三极管输出电流变化量与对应的e-b结电压之比。差动放大器的跨导定义为其输出差分电流变化量与对应的差模输入变化量之比。

为了计算跨导，可以利用三极管射极电流与e-b结电压的关系式（忽略三极管的基区宽度调制效应）

式中，IS是晶体管的反向饱和电流。上式忽略了反偏的b-c结对IE的影响。在通常情况下，，故上式可简化为

由此算得晶体管的跨导为

式中，UT为温度的电压当量，其表示式是

式（1-1-10）表明三极管的跨导正比于集电极电流。

利用同样的方法，可推导出双极型差动放大器的等效跨导表示式为

式中，Ic为每单边三极管的集电极电流（）。

式（1-1-12）表明，差动放大器在差动输入时，其跨导与单管时相同。由式（1-1-12）还可得

由此可得到差动放大器电压增益的近似式为

式中，roe为三极管输入端交流开路时的输出电导的倒数。在室温情况下，可进一步近似为

式中，Io1为差动放大器的恒流源电流。

显然，放大器的电压增益与其工作电流成正比。若要提高电压增益，就应适当加大三极管的工作电流。

需要指出的是，差模输入的差动放大器的动态输入范围为2UT，室温时其近似为52m V（单管时UT≈ 26m V）。当输入信号大于此范围时，输出信号将出现非线性。

（2）输入共模信号时（即ui1=ui2）

此时VT1，VT2的信号电流沿同一方向变化，故流经Re的电流将不为零。当电路完全对称时，VT1，VT2中信号电流的幅值与相位完全相同（设为i），则流经Re的电流为2i。由此，该电路可用图1-1-4进行等效，图1-1-4所示为共模输入的差动放大器电路。

此时，由于2Re的负反馈作用，VT1，VT2的电压增益值将很小。另外，VT1，VT2集电极输出电压的幅值与相位均相同，故该电路差动输出的电压uo1-uo2=0。这表明完全对称的差动放大器，其共模增益为零，因此对各种共模信号具有良好的共模抑制作用（这里的共模信号包括外加的共模输入信号及放大器本身的共模输入等效信号，如温度等原因引起的等效信号等）。

当电路两边不匹配时，差动放大器的共模抑制特性将变差。根据电路的小信号等效电路计算结果，当差动输出时，电路的共模抑制比（即差动放大器差模增益与共模增益之比）表示式为

式中，gm为三极管标称跨导值；Δgm为VT1，VT2跨导值之差；Rc为两边集电极负载电阻的标称值；ΔRc为两边集电极负载电阻的差值；ro为晶体管标称的输出电阻；Δro为VT1，VT2输出电阻的差值；Re为差动放大器射极的外接电阻值。在上式计算时，忽略了晶体管β不对称性的影响。实际情况下，这种忽略是允许的。

分析式（1-1-16）可以得到：

①当差动放大器两边电路的gm，Rc与ro不对称时，它的CMRR从无穷大值降为有限值。Δgm/gm，ΔRc/Rc与Δro/ro越大，则CMRR的值也越低。

②Re越大，两边电路的不对称性对CMR R的影响就越小。这是由于Re越大，每边电路的共模增益越小，则差动输出时的差值就更小。因此在集成运放中，差动放大器中的Re均以恒流源代替。

③提高三极管的输出电阻ro及跨导gm，都将提高差动放大器的CMRR。

2.差动放大器的输入失调及其漂移

绝大多数集成运放的输入级都采用差动放大器的形式。输入级的失调是整个运放输入失调的主要来源，因此，减小差动放大器的输入失调是很重要的。

（1）差动放大器的输入失调电压及其漂移

在实际的差动放大器中，当差动输出电压为零时，输入端所加的直流补偿电压的大小称为差动放大器的输入失调电压。

图1-1-5所示为分析差动放大器失调电压的示意图。对于差动放大器，当差动输出电压为零时，应有

分析上式可以看到，引起差动放大器输出电压不平衡的因素有3个。

①VT1，VT2的UBE相同时，它们的射极电流不相等。根据式（1-1-9），这是由于VT1，VT2的反向饱和电流Is1，Is2不匹配的结果。

②VT1，VT2的集电极电阻Rc1，Rc2不匹配。

③VT1，VT2的电流增益β1，β2不匹配。

计算结果表明，差动放大器的输入失调电压Uos可表示为

式中，Is为晶体管反向饱和电流的标称值；ΔIs为VT1，VT2反向饱和电流的差值；Rc为集电极电阻Rc1，Rc2的标称值；Δβ为Rc1，Rc2的差值；β为三极管共射电流增益；Δβ为VT1，VT2共射电流增益的差值。

式（1-1-18）的三项分别对应于上述3个因素，一般情况下（除去低漂移型运放外），很小，其影响可忽略。式（1-1-18）中的第一项可以用相等射极电流时VT1，VT2的UBE之差（称为差分对管本身的输入失调电压）表示

当忽略电阻温度系数的差值时，Uos的温漂主要决定于的温漂。根据三极管原理分析，三极管UBE的温度系数为

式中，Eg0是硅的禁带宽度。室温时约为-2.2mV/℃。由此，差动放大器的输入失调电压的温度系数为

对应于1mV的输入失调电压，在室温时它的温度系数约为3.3mV/℃。

（2）差动放大器的输入失调电流及其漂移

差动放大器的输出直流电压等于零时，两输入端所加偏置电流的差值即为其输入失调电流Ios。引起Ios的原因是：晶体管的β不对称，使基极注入电流产生偏差；由于集电极负载电阻不对称，引起输出电压偏差。为使这些偏差等于零，差分对管的基极注入电流将发生偏差。可以证明Ios的表示式为

式中，IB是三极管VT1，VT2基极电流的标称值。上式表明，Ios与晶体管的偏置电流IB成正比。

当不考虑电阻温度的偏差时，Ios的温度系数可近似用下式表示

当工作温度大于25℃ 时，·约为-0.005/℃；当工作温度小于25℃ 时，其值约为-0.015/℃。

注意，上述讨论中均假设差分对管处于同样的温度环境中。在实际的集成运放中，由于电路中有些元件的功耗较大，芯片存在温度梯度，故输入差分对管的温度环境可能有差别，它将使差动放大级的输入失调增加。

3.集成运放的输入级

集成运放的许多性能指标主要取决于差动输入级。如输入失调及其漂移、输入阻抗、共模抑制比等重要指标，又如最大差模输入电压和共模输入电压范围等都主要取决于其差动输入级。因此，差动输入级的改进便成为各代集成运放的重要标志。

（1）普通差动放大电路

采用图1-1-1所示的普通差动放大电路作为集成运放的输入级时，其优点是电路结构简单，容易匹配，因此输入失调电压小。它广泛用于早期产品和第一代集成运放中，如国产的F001（5G922），F004（5G23）及国外的μA709等。其缺点是输入阻抗低，为50～300kΩ；失调电流约为100nA；最大差模输入电压低，不超过7V；差模输入电压范围也较小，常为±10V；电压增益不高，为30～100倍。

（2）共集-共基差动放大器

如图1-1-6所示为共集-共基差动放大器。

该电路由两级差动放大电路组成，第一级由高β的NPN管VT1，VT2接成共集组态差动放大电路，VT3，VT4为其发射极负载。第二级由高反压的横向PNP管VT5，VT6接成共基组态差动放大电路。这种差动放大电路的特点是：因输入为共集电路，所以提高了输入阻抗；VT3，VT4为共基电路，由于输出阻抗高，因此可用大的负载以提高电压增益。由于VT3，VT4的IB及VT1，VT2的IC合用一个恒流源，即IB+IC=常数，提高了共模抑制比。其最突出的特点是采用了高反压的横向管，使得最大差模输入电压Udm可达±30V。共集-共基差动放大电路广泛用于第二代集成运放中，如国产的F007，5G24，F741及国外的μA741，AD741等。

（3）超β管差动放大电路

采用β为2000～10000的超β管作为差动放大电路，至少可以使差动输入级的基极偏置电流减小一个数量级，这是集成运放在低漂移性能上的重大突破。因超β管的c-e极间反向击穿电压很低，工作时，要保证c-e极间电压不超过0.7V，所以在电路中必须采用保护措施。如图1-1-7所示为超β管差动放大电路，它利用横向PNP管VT3，VT4的e-b结正向电压对超β管VT1，VT2的c-e极形成了可靠的钳位保护，如果略去电阻R1，R2上的压降，则超β管将工作在UCB≈0的状态下，这样基本上消除了晶体管c-b结间反向饱和电流ICBO对输入端基极偏置电流的不利影响，从而可以获得良好的低漂移性能。第三代集成运放的主要特性就是采用了超β管的差动输入级，如国产的4E325和国外的AD508L。

（4）场效应管差动放大电路

由于场效应管是电压控制器件，栅极电流比三极管的基极电流小三、四个数量级，因此在需要高输入阻抗和低偏置电流等的情况下，常采用场效应管作为差动输入级。如图1-1-8所示为场效应管差动放大电路，它的输入阻抗高达1012Ω。如国外的μA740等。场效应管差动输入电路的缺点是输入失调电压比较大，这是由于场效应管在制作工艺上难以达到良好的匹配而造成的。

1.1.2 恒流源电路

在集成运放中，广泛采用恒流源电路作为各级电路的恒流偏置和有源负载。

1.镜像恒流源基本电路

如图1-1-9所示为镜像恒流源的基本电路，其中VT1，VT2是匹配对管。由图1-1-9可知

Ir=IC2+IB1+IB2

由于VT1，VT2是对称的，它们的集电极电流与基极电流分别相等，所以有

即

当Ir确定后，该恒流源的输出电流Io也确定了。当β足够大时，Io≈ Ir，即输出电流近似等于参考电流，所以该电路常称为电流镜电路。

2.改进型镜像恒流源电路

（1）减小β对Io影响的恒流源

如图1-1-10所示为减小β对Io影响的恒流源。此电路的输出电流表示式为

若式中β1≈β2，此式与式（1-1-24）相比，显然此处β的变化对Io的影响要小得多。

（2）Io与Ir不同比例的恒流源

如图1-1-11所示为Io与Ir不同比例的恒流源。

当VT1，VT2中电流是同数量级时，其UBE可认为近似相等，故有（假设三极管的β足够大）

即Io为

调节R1，R2的比值，可获得不同的Io输出。

3.多路输出的恒流源

如图1-1-12所示为多路输出的恒流源。当VT1，VT2，…，VTn等各三极管完全对称时，输出电流I1，I2，…，In等各电流近似相等。

1.1.3 有源负载电路

1.有源集电极负载电路

单管共发射极放大器的电压增益表达式为 Au=-。为了提高电压增益，需要增大负载电阻Rc。但在集成电路中制作大电阻很不经济。此外，若Rc太大，在Rc上的压降会上升，使输出电压的动态范围减小。为克服此缺点，希望能找到直流电阻小而交流电阻大的器件来代替Rc。三极管的输出特性正好能满足上述要求，所以可利用三极管恒流源来代替集电极负载电阻，便组成了有源负载集电极放大器。如图1-1-13所示为有源集电极负载放大器。

2.有源负载差动放大电路

为了提高集成运放差动输入级的增益，其集电极负载电阻Rc也可用一对镜像恒流源来代替，如图1-1-14所示为有源集电极负载差动放大器。

VT1，VT2是一对差动放大管，VT3，VT4组成镜像恒流源。它们的集电极电位均可以浮动，所以Ic3，Ic4均可变化，但始终保持相等。常有VT4集电极输出，rCE4作为差动放大器的负载，由于rCE4很高，所以差动放大器的增益也很高。为了使差动放大器两边的电流更加一致，常采用改进型镜像恒流源作为它的负载。

有源负载的引用大大提高了各级的电压增益，它是第二代集成运放的重要标志。

1.1.4 双端变单端电路

集成运放是一个双端输入、单端输出的器件，所以其内部电路必须有一个由差动放大双端输入转换为单端输出的过程。不能简单地从差动放大器的一边输出，因为这样差动放大器另一边的放大成果将白白地损失掉。如图1-1-15所示为双端变单端电路，此电路的功能是将差动放大级的双端输出信号转换为单端输出，而不损失电路的增益。图中利用VT3，VT4将VT1的电流变化耦合到VT2的输出端，从而实现了双端变单端的功能。

1.1.5 直流电平位移电路

对集成运放的要求是，输入零电平时，输出也为零电平。集成运放通常采用NPN管组成多级直流放大，为保证三极管工作在放大区，集电极的电压总比基极的电压高一些，这样，经过几级放大后，集电极的输出电平将会越来越高，无法满足零输入时零输出的要求。为解决此问题，必须在组成集成运放的中间级插入一个直流电平位移电路，使升高的直流电平降下来。下面介绍两种常用的直流电平位移电路。

1.采用恒流源完成电平位移

如图1-1-16所示为恒流源电平位移电路。

由于恒流源的直流内阻Ro很小，交流内阻ro很大，当R1≫Ro和R1≪ro时，输出端的直流电平U2比输入端的直流电平U1降低很多，即U2≪U1。而输出端的交流电压u2只比输入端的交流电压u1减小很少，即u2≈u1。所以，满足了在不损失交流电压的情况下降低了直流电平。

2.利用PNP管完成电平位移

如图1-1-17所示为利用PNP管完成电平位移的电路。

因为PNP管组成共射放大电路时，为保证三极管工作在放大区，其集电极电平必须低于基极电平。所以，在NPN管多级直流放大电路中，插入一级PNP管共射放大电路，可完成直流电平的位移，并且还具有一定的放大功能。

1.1.6 互补推挽输出电路

对集成运放输出级的要求是：①具有很低的输出电阻和较高的输入电阻；② 具有一定的输出功率；③具有尽可能高的效率；④具有过流和过压保护措施等。通常采用射随器作为集成运放输出级。

1.互补推挽输出电路

如图1-1-18所示为基本的互补推挽输出电路。VT1为共射放大器，VT2，VT3组成互补射随器电路，Io为VT1的有源集电极负载。

当ui＞0时，VT3导通，VT2截止，流经RL的电流方向是由下向上，使uo＜0。当ui＜0时，VT2导通，VT3截止，流经RL的电流方向是由上向下，使uo＞0。VT2，VT3轮流导通，所以当ui为正弦信号时，输出信号uo也基本为正弦信号。此互补推挽输出电路的优点是：效率高，管耗小，有利于降低结温，延长管子寿命，减小散热器体积；其缺点是：在输出信号uo的波形中带有交越失真。

2.克服交越失真的互补推挽输出电路

如图1-1-19所示为克服交越失真的互补推挽输出电路。

为克服交越失真，需在输出管VT2，VT3的基极上各加上一个大于等于三极管导通电压的正向偏压（如硅管为0.6V或0.7V，锗管为0.2V或0.3V）。图1-1-19中的VT4，R1，R2组成固定恒压偏置电路，可给VT2，VT3的基极加一个固定偏压，从而保证了输入信号ui为正弦信号时，输出信号uo为不失真的正弦信号，即克服了交越失真。

3.具有过载保护的互补推挽输出电路

如图1-1-20所示为具有过载保护的互补推挽输出电路。

由Re2，Re3，VD1，VD2组成限流型保护电路。正常工作时，Ie2，Ie3都小于额定输出电流，Re1，Re2上的压降很小，|UAB|很小，VD1，VD2都不导通，保护电路不工作，输出级正常。当正向输出电流Ie2超过额定输出电流值时，Re2上压降增大，UAB增大到足以使二极管VD1导通，这样就对U＇i向VT2提供的基极电流起了旁路作用，从而限制了Ie2的增长，保护了输出管VT2。同理，当反向输出电流过大时，VD2将导通，它限制了Ie3的增长，保护了输出管VT3。例如，设二极管VD的正向导通电压UD=0.6V，发射极电阻选择Re2=Re3=Re=30Ω，则输出管的最大发射极电流将限制在