集成运算放大器的组成

集成运放的基本组成结构如图4 − 1 − 2所示。它通常由输入级、中间级、输出级和偏置电路四部分组成。

图4 − 1 − 2 集成运算放大器的基本组成

输入级由差分式放大电路组成，利用它的电路对称性可克服零漂问题；中间级的主要作用是提高电压增益，它可由多级放大电路组成；输出级采用功率放大电路，为负载提供一定的功率；偏置电路主要用于向集成运放的各级电路提供偏置电流，设置合适的静态工作点，一般采用电流源形式。

1. 偏置电路

在电子电路中，特别是模拟集成电路中，广泛使用不同类型的电流源。它的用途之一是为各级基本放大电路提供稳定的偏置电路；第二个用途是用作放大电路的有源负载。下面讨论两种常见的电流源。

1）镜像电流源

图4 − 1 − 3所示为镜像电流源的结构原理图。图中T0管和T1管具有完全相同的输入特性和输出特性，且由于两管的B、E极分别相连，UBE0 U=BE1 ，IB0=IB1 ，因而就像照镜子一样，T1管的集电极电流和T0管的相等，所以该电路称为镜像电流源。由图4 − 1 − 3可知，T0管的B、C极相连，处于临界放大状态，电阻R中的电流IR 为基准电流，表达式为：

且

I R=IC0+IB0+IB1=IC1+2IB1=(1+2/β)IC1

所以当β>>2时，有：

可见，只要电源VCC和电阻R确定，则IC1就确定，恒定的IC1可作为提供给某个放大级的静态偏置电流。另外，在镜像电流源中，T0的发射结对T1具有温度补偿作用，可有效地抑制IC1的温漂。例如当温度升高使T1的IC1增大的同时，也使T0的IC0增大，从而使UBE0（UBE1）减小，致使IB1减小，从而抑制了IC1的增大。

镜像电流源的优点是结构简单，而且具有一定的温度补偿作用；缺点是当直流电源VCC变化时，输出电流IC1几乎按同样的规律波动。因此，镜像电流源不适用于直流电源在大范围内变化的集成运放。此外，若输入级要求微安级的偏置电流，则所有电阻R将达兆欧级，在集成电路中很难实现。

2）微电流源

为了得到微安级的输出电流，同时又希望电阻值不太大，可以在镜像电流源的基础上，在T1的射极电路接入电阻RE，如图4 − 1 − 4所示。这种电流源称为微电流源。当基准电流IR一定时，IC1可确定如下。因为

图4− 1− 3 镜像电流源

图4− 1− 4 微电流源

U BE0−UBE1=ΔUBE=IE1RE

所以

由式（4 − 1 − 3）可知，利用两管发射结电压差ΔUBE可以控制输出电流IC1。由于ΔUBE的数值较小，这样，用阻值不大的RE即可获得微小的工作电流，故称此电流源为微电流源。该电路由于 T0、T1是对管，两管基极又连在一起，当VCC、R和RE为已知时，基准电流IR≈VCC/R，在UBE0、UBE1为一定时，IC1也就确定了；在电路中，当电源电压VCC发生变化时，IR 以及ΔU BE也将发生变化，由于RE的值一般为数千欧，使UBE1<<UBE0，以致T1的UBE1值很小而工作在输入特性的弯曲部分，则IC1的变化远小于IR 的变化，故电源电压波动对工作电流的影响不大。

【例 4 − 1 − 1】电路如图4 − 1 − 5所示。VCC=12V，设T1和T2的性质完全相同，且β值很大。求IC2和UCE2的值。设UBEQ=0.7V。

图4 − 1 − 5 例4 − 1 − 1的图

解：本题练习镜像电流源的分析方法。

2. 差分放大输入级

差分放大电路，就其功能来说，就是放大两个输入信号之差。

由于集成运放的内部实质上是一个高放大倍数的多级直接耦合放大电路，因此必须解决零漂问题，电路才能实用。虽然集成电路中元器件参数分散性大，但是相邻元器件参数的对称性却比较好。差分放大电路就是利用这一特点，采用参数相同的三极管来进行补偿，从而有效地抑制零漂。在集成运放中多以差分放大电路作为输入级。

1）输入信号类型

将两个电路结构、参数均相同的单管放大电路组合在一起，就成为差分放大电路的基本形式，如图4 − 1 − 6所示。

图4 − 1 − 6 基本差分放大电路

在差分放大电路的两个输入端分别输入大小相等、极性相反的信号，即ui1=−ui2，这种输入方式成为差模输入。差模输入方式下，差分放大电路总的输入信号称为差模输入信号，用 uid 表示。u id 为两输入端输入信号之差，即：

u id=ui1−ui2 　 （4 − 1 − 4）

或者

在差分放大电路的两个输入端分别输入大小相等、极性相同的信号，即ui1=ui2 ，这种输入方式称为共模输入，所输入的信号称为共模输入信号，用 uic表示。uic与两输入端的输入信号有以下关系：

u ic=ui1=ui2　 （4 − 1 − 6）

当差分放大电路的两个输入端的信号大小不等时，可将其分解为差模信号和共模信号。信号的输入方式如图4 − 1 − 6所示。差模输入信号可由式（4 − 1 − 4）表示，共模输入信号可以表示为

于是，加在两输入端上的信号可分解为

2）电压放大倍数

差分放大电路对差模输入信号的放大倍数叫作差模电压放大倍数，用Aud表示，假设两边单管放大电路完全对称，且每一边单管放大电路的电压放大倍数为Au1 ，可以推出当输入差模信号时，Aud为

式（4 − 1 − 10）表明，差分放大电路的差模电压放大倍数和单管放大电路的电压放大倍数相同。可以看出，差分放大电路的特点是，多用一个放大管后，虽然电压放大倍数没有增加，但是换来了对零漂的抑制。

差分放大电路对共模信号的放大倍数叫作共模电压放大倍数，用Auc表示。可以推出，当输入共模信号时，Auc为：

式（4 − 1 − 11）表明，差分放大电路对共模信号没有放大作用，这正是我们所希望的结果。因为共模信号就是由于外界干扰而产生的信号，如零漂信号，必须加以抑制。可以这样解释：差分放大电路具有对称结构，当有外界干扰时，例如温度变化，对两只管子的影响完全相同，因此在两输入端产生的输入信号也完全相同，这就是共模输入信号。

综上所述，差分放大电路对有效的差模信号有放大作用，而对无效的共模信号有抑制作用。也就是说，要想放大输入信号，必须使两输入端的信号有差别。

3）共模抑制比

差分放大电路的共模抑制比用符号KCMR表示，它定义为差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比，一般用对数表示，单位为分贝（dB），即：

共模抑制比描述差动放大电路对共模信号即零漂的抑制能力。KCMR越大，说明抑制零漂的能力越强。在理想情况下，差分放大电路两侧的参数完全对称，两管输出的零漂完全抵消，则共模电压放大倍数Auc=0，共模抑制比KCMR=∞。

对于基本形式的差分放大电路而言，由于内部参数不可能绝对比配，所以输出电压仍然存在零点漂移，共模抑制比很低；而且从每个管子的集电极对地电压来看，其零漂与单管放大电路相同，丝毫没有改善。因此，在实际应用中，我们要在基本差分放大电路的基础上加以改进，才能满足实际的需要。

3. 互补对称输出级

集成运放的输出级是向负载提供一定的功率，属于功率放大，一般采用互补对称的功率放大器。

图4 − 1 − 7所示为一个常见的互补对称输出级电路。其中T1为NPN型三极管，T2为PNP型三极管。两管的发射极连在一起，然后通过负载电阻RL接地。放大电路须用两路直流电源：+VCC和−VCC。

当加上正弦输入电压ui时，在正半周期，T1导电，T2截止。T1的集电极电流i C1由+VCC流出，经T和RL流入公共端。在负半周，T2导通，T1截止。iC2 由公共端流经RL和T2到 V−CC。负载电阻RL上的电流是iC1 和iC2 的组合，即i L≈iC1−iC2。当u i为正弦波时，负载电流iL和输出电压uo基本上也是正弦波。

无论T1或T2导通，放大电路均工作在射极输出器状态，所以输出电阻低，带负载能力强。由图4 − 1 − 7可见，在三极管 T1和 T2的基极回路中，从直流电源+VCC到−VCC之间，接入一个由电阻和二极管组成的支路，其作用是减小失真，改善输出波形。假如没有这个支路，而将 T1和 T2的基极直接连在一起，再接到输入端，则在输入电压正半周与负半周的交界处，当ui的幅度小于 T1、T2输入特性曲线上的死区电压时，两管都不导通。也就是说，在 T1、T2交替导通的过程中，将有一段时间两个三极管均截止。这种情况将导致iL和u o的波形发生失真，这种失真称为交越失真，如图4 − 1 − 8所示。

图4− 1− 7 互补对称输出级

图4− 1− 8 交越失真

为了消除交越失真，必须克服三极管死区电压的影响。方法是在T1和T2的基极之间接入一个导电支路，使静态时存在一个较小的电流从+VCC流经R1、R、D1、D1、R2到−VCC，在 T1和 T2的基极之间产生一个电位差，故静态时两只三极管已有较小的基极电流，因而两管也各有一个较小的集电极电流。当输入正弦电压ui时，在正、负半周两管分别导通的过程中，将有一段短暂的时间T1、T2同时导通，避免了两管同时截止，因此交替过程比较平滑，减小了交越失真。

图4 − 1 − 7所示的互补对称输出级电路在实际的集成运放输出级得到广泛应用。