第四章集成运算放大电路
本章共8学时 主要内容：
1、要了解集成化元器件及其特点；
2、掌握集成差动放大电路的构成、放大差模抑制共模的工作原理及分析方法； 3、掌握电流源电路的特点及典型的电流源电路；
4、理解功率输出级电路与小信号放大电路的区别及集成运算电路的一般结构形式。 本章重点：
1、掌握差动放大电路的构成及分析方法；运算放大器的结构特点和性能指标。 2、掌握功率输出级的工作原理。 本章难点：
1、集成差动放大电路的构成、放大差模抑制共模的工作原理及分析方法； 第一讲
4．1 集成放大电路的特点
集成电路简称IC，是60年代初期发展起来的一种半导体器件，它是在半导体制造工艺的基础上，将各种元器件和连线等集成在一片硅片上而制成的，因此密度高、引线短、外部接线大为减少，从而提高了电子设备的可靠性和灵活性，同时降低了成本，为电子技术的应用开辟了一个新的时代。
人们经常以电子器件的每一次重大变革作为衡量电子技术发展的标志。1904年出现的电真空器件称为第一代，1948年出现的半导体器件称为第二代，1959年出现的集成电路称为第三代，而1974年出现的大规模集成电路，则称为第四代。可以预料，随着集成工艺的发展，电子技术将日益广泛地应用于人类社会的各个方面。
集成电路按其功能的不同，可以分为数字集成电路和模拟集成电路；按模拟集成电路的类型来分，则又有集成运算放大器、集成功率放大器、集成高频放大器、集成中频放大器、集成比较器、集成乘法器、集成稳压器、集成数/模和模/数转换器以及集成锁相环等；按构成有源器件的类型来分，则有双极型和单极型等。
制造集成电路时，要在硅片上经过氧化、光刻、扩散、外延、蒸铝等工艺过程，把晶体管、电阻及电容等电路元件和它们之间的连线，全部集成在同一块半导体基片上，最后再
进行封装，做成一个完整的电路。集成电路的外形通常有三种：双列直插式、圆壳式和扁平式，如图4．1．1所示。
本章主要介绍集成运算放大电路。与分立元件组成的同样电路相比，它具有以下几方面的特点：
1、不易制造大电阻。需要大电阻时，往往使用有源负载
2、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 3、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，只有外
4、不能制造电感，如需电感，也只能外接。
5、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
集成运放和分立器件的直接耦合放大电路虽然在工作原理上基本相同，但由于上述原因，在电路的结构形式上二者将有较大的差别。
4.2 集成运放的基本组成部分
从原理上说，集成运算放大电路实质上是一个具有高放大倍数的多级直接耦合放大电路。它的内部通常包含四个基本组成部分，即输入级、中间级、输出级和偏置电路，如图4．2．1所示。下面分别进行介绍。
4．2．1 偏置电路
偏置电路的作用是向各放大级提供合适的偏置电流，确定各级静态工作点。各个放大级对偏置电流的要求各不相同。对于输入级，通常要求提供一个比较小的偏置电流，而且应该非常稳定，以便提高集成运放的输入电阻，降低输入偏置电流、输入失调电流及其温漂等等。
在集成电路中，常用的偏置电路有以下几种： 一、镜像电流源
镜像电流源也称为电流镜，它的电路如图4．2．2所示。
图4.2.2 镜像电流源
电源VCC通过电阻R和VT1产生一个基准电流IREF，由图可得 IREF?VCC?UBE1
R然后在T2的集电极得到相应的Ic2，作为提供给某个放大级的偏置电流。由于UBE1?UBE2，而VT1和VT2是做在同一硅片上两个相邻的三极管，它们的工艺、结构和参数都比较一致，因此可以认为
IB1?IB2?IB IC1?IC2?IC 则 IC2?IC1?IREF?2IB?IREF?2IC2?
所以 IC2?IREF11?2
?当满足条件???2时，上式可简化为
IC2?IREF?VCC?UBE1
R由于输出恒流Ic2和基准电流IREF相等，它们之间如同是镜像的关系，所以这种恒流源电路称为镜像电流源。
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。 二、比例电流源
在镜像电流源的基础上，在VT1、VT2的发射极分别接入两个电阻R1和R2，即可组成比例电流源，如图4．2．3所示。
由图可得
UBE1?IE1R1?UBE2?IE2R2
由于VT1和VT2是做在同一硅片上的两个相邻的三极管，因此可以认为UBE1?UBE2，则
IE1R1?IE2R2
如果两管的基极电流可以忽略，由上式可得
IC2?R1RIC1?1IREF R2R2可见两个三极管的集电极电流之比近似与发射极电阻的阻值成反比，故称为 比例电流源。
以上两种电流源的共同缺点是，当直流电源VCC变化时，输出电流Ic2几乎按 同样的规律波动。因此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，则所用电阻将达兆欧级，在集成电路中无法实现。 三、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VT2的发射级接入一个电阻Re，如图4．2．4所示。这种电路称为微电流源。
引入Re后，将使UBE1?UBE2，此时节即使IC1比较大，有可能使IC2??IC1， 即在Re阻值不太大的情况下，得到一个比较小的输出电流Ic2。
由图4．2．2可得
UBE1?UBE2?IE2Re?IC2Re 根据二极管方程
IC?IS(eUBEUT?1)?ISeUBEUT
则 UBE1?UBE2?UT(ln设 IS1?IS2
IC1I?lnC2)?IC2Re IS1IS2
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