集成运算放大电路1
内容提要： 电子技术发展的一个重要方向和趋势就是实现集成化，因此，集成放大电路的应用是本课程的重点内容之一。
本章主要介绍集成运算放大电路的基本知识。首先介绍集成放大电路的特点以及集成运算放大电路（简称集成运放）的基本组成部分，在此基础上介绍两种集成运放的典型电路。然后介绍集成运放的主要技术指标，提出理想运放的概念和特点。在本章的最后，介绍有关集成运放应用的实际知识，包括各类集成运放的性能特点以及集成运放使用中的几个具体问题。
学习要求：
①掌握差分放大电路的工作原理以及四种不同输入、输出方式时的性能特点；掌握差模电压放大倍数、差模输入电阻和输出电阻的概念和估算方法。正确理解共模抑制比的概念。
②正确理解电流源（镜像电流源、比例电流源和微电流源）的工作原理。
③掌握集成运放主要技术指标的含义。掌握理想运放的概念，正确理解“虚短”和“虚断”的含义。
④正确理解各种不同类型集成运放的特点，了解集成运放使用过程中的具体问题。
⑤了解集成运算放大电路的特点，各个基本组成部分的作用，了解一种典型集成运放电路的工作原理。
集成电路简称IC（Integrated Circuit），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、外部接线大为减小，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（如真空三极管）称为第一代，1948年出现的半导体器件（如半导体三极管）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（输入量和输出量为高、低两电平且具有一定逻辑关系的电路）和模拟集成电路（数字集成电路以外的集成电路统称为模拟集成电路）；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（场效应管）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器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4．4．1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由集成电路工艺制造出来的元器件，虽然其参数的精度不是很高，受温度的影响也较大，但由于各有关元器件都同处在一个硅片上，距离又非常接近，因此对称性较好，适用于构成差分放大电路。
②由集成电路工艺制造出来的电阻，其阻值范围有一定的局限性，一般大几十欧到几十千欧之间，因此在需要很高阻值的电阻时，就要在电路上另想办法。
③在集成电路中，制造三极管，特别是NPN三极管往往比制造电阻、电容等无源器件更加方便，占用更少的芯片面积，因而成本更低廉。所以在集成放大电路中，常常用三极管代替电阻，尤其是大电阻。
④集成电路工艺不适于制造几十皮法以上的电容器，至于电感器就更困难。因此放大级之间通常都采用直接耦合方式，而不采用阻容耦合方式。
⑤直接耦合放大电路中，经常遇到既有NPN又有PNP管的情况，但在单片集成电路中，一般情况下PNP管只能做成横向的，此时它的β值比较小（1≤0），而不能像分立器件那样，使PNPT和PNP管的特性匹配得比较接近。在分析时，横向PNP管的β＋1和β值差别比较大。
总起来说，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不圈套的差别。
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（一般为微安级）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。
在集成运放中，常用的偏置电路有以下几种：
镜像电流源也称为电流镜（Current Mirror），在集成运放中应用十分广泛，它的电路如下图所示。
电源VCC通过电阻R和VT1，产生一个基准电流IREF，由图可得
然后在VT2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
(4.2.2)
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的发射极分别入两个电阻R1和R2，即可组成比例电流源，如下图所示。
由于VT1、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≈IE2R2，则
IE1R1≈IE2R2
如果两管的基极电流可以忽略，由上式可得
(4.2.3)
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几乎按同样的规律活动，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，则所有电阻将达兆欧级，在集成电路中无法实现。
4．2．2 差分放大输入级
集成运放的输入对于它的许多指标诸如电阻、共模输入电压、差模输入电压和共模抑制比等等，起着决定性的作用，因此是提高集成运放质量的关键。
为了发挥集成电路内部元件参数匹配较好、易于补偿的优点，输入级大都采用差分放大电路的形式。
差分放大电路常见的形式有三种：基本形式、长尾式和恒流源式。
一、基本形式差分放大电路
1．电路组成
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，如下图所示。输入电压分成相同的两部分加到两管的基极，输出电压等于两管的集电极电压之差。
假设VT1和VT2的特性完全相同，相应的电阻也完全一致，则当输入电压等于零时，UCQ1＝UCQ2，即UO＝0。如果温度升高使ICQ1增大，UCQ1降低，则由于电路结构对称，ICQ2也将增大，UCQ2也将降低，而且两管变化的幅度相等，结果VT1和VT2输出端的零点漂移将互相抵消。
2．电压放大倍数
当外加一个输入电压时，由于电路结构对称，VT1和VT2基极得到的输入电压将大小相等，但极性相反，如上图所示。这样的输入电压称为差模输入电压，用uId，则放大电路输出电压的变化量为
△uo＝△uC1－△uC2=△uID
所以差分放大电路的差模电压放大倍数为
Ad=Au1 (4.2.5)
上式表明，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。
但是从抑制零漂的效果来看，基本形式的差分放大电路并不理想。其原因是电路两侧的管子特性和元件参数不可能完全相同，因此两个三极管输出端的温漂也不可能完全抵消。为了衡量对零漂的抑制效果，需要提出一个技术指标，这就是共模抑制比。
3．共模抑制比
差分放大电路的输入电压有两种形式，一种是差模输入电压uId，即两个差放管的输入电压大小相等，但极性相反，见上图。另一种是共模输入电压，即两个差放管的输入电压大小相等，且极性相同，用uIc表示，见下图。
如果温度变化，两个差放管的电流将按相同的方向一起增大或减小，相当于给放大电路加上一个共模输入信号。所以可以认为，差模输入信号反映了有效的信号，而共模输入信号可以反映由于温度变化等原因而产生的漂移信号或其他干扰信号。
放大电路对差模输入电压的放大倍数称为差模电压放大倍数，用Ad表示，即
(4.2.6)
而放大电路对共模输入电压的放大倍数称为共模电压放大倍数，用Ac表示，即
(4.2.7)
通常希望差分放大电路的差模电压放大倍数愈大愈好，而共模电压放大倍数愈小愈好。
差分放大电路找人模抑制比用符号KCMR表示，它的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，即
(4.2.8)
共模抑制比描述差分放大电路对零漂的抑制能力。KCMR愈大，说明抑制零漂的能力愈强。在理想情况下，差分放大电路两侧的参数完全对称，两管输出端的温漂完全抵消，则共模电压放大倍数Ac＝0，共模抑制比KCMR＝∞。
对于基本形式的差分放大电路来说，由于内部参数不可能绝对匹配，所以输出电压UO仍然存在温度漂移，共模抑制比很低。而且，从每个三极管的集电极对地电压来看，其温度漂移与单管放大电路相同，丝毫没有改善。因此，在实际工作中一般不采用这种基本形式的差分放大电路。
二、长尾式差分放大电路
为了减小每个管子输出端的温漂，引出了长尾式差分放大电路。
1．电路组成
在两个放大管的发射极接入一个发射极电阻Re，如下图所示。这个电阻一般称为“长尾”，所以这种电路称为长尾式差分放大电路。
长尾电阻Re的作用是引入一个共模负反馈，也就是说，Re对共模信号有负反馈作用，而对并模信号没有负反馈作用。假设在电路输入端加上正的共模信号，则两个管子的集电极电流iC1、iC2同时增加，使流过发射极电阻Re的电流iE增加，于是发射极电位uE升高，反馈到两管的基极回路中，使uBE1、uBE2降低，从而限制了iC1、iC2的增加。
但是对于差模输入信号，由于两管的输入信号幅度相等而极性相反，所以iC1增加多少，i C2就减少同样的数量，因而流过RE的电流总量保持不变，则△uE＝0，所以对于差模信号没有反馈作用。
Re愈大，共模负反馈愈强，则抑制零漂的效果愈好。但是，随着Re的增大，Re上的直流压降将愈来愈大。为此，在电路中引入一个负电源VEE来补偿Re上的直流压降，以免输出电压变化范围大小。引入VEE以后，静态基极电流可由VEE提供，因此可以不接基极电阻Rb，如上图所示。
2．静态分析
当输入电压等于零时，由于电路结构对称，故设IBQ1＝IBQ2＝IBQ，ICQ1＝ICQ2＝ICQ，UBEQ1＝UBQ2＝UBQ，UCQ1＝UCQ2＝UCQ，β1＝β2＝β，由三极管的基极回路可得静态集电极电流和电位为
ICQ≈βIBQ
UCQ＝VCC－ICQRC（对地）
静态基极电位为
UBQ=－IBQR（对地） （4．2．12）
三、恒流源式差分放大电路
1．电路组成
恒流源式差分放大电路如下图所示。由图可见，恒流管VT3的基极电位由电阻Rb1、Rb2分压后得到，可认为基本不受温度变化的影响，则当温度变化时VT3的发射极电位和发射极电流也基本保持稳定，而两个放大管的集电极电流iC1和iC2之和近似等于iC3，所以iC1和iC2将不会因温度的变化而同时增大或减小，可见，接入恒流三极管后，抑制了共模信号的变化。
有时，为了简化起见，常常不把恒流式差分放大电路中恒流管VT3的具体电路画出，而采用一个简化的恒流源符号来表示，如下图所示。
2．静态分析
估算恒流源式差分别电路的静态工作点时，通常可以从确定恒流三极管的电流开始。当忽略VT3的基流时，可得到两个放大管的静态电流和电压为
ICQ1=0.5ICQ3 (4.2.18)
UBQ1= - IBQ1R (4.21)
四、差分放大电路的输入、输出接法
差分放大电路有两个放大三极管，它们的基极和集电极分别是放大电路的两个输入端和两个输出端。差分放大的输入、输出端可以有四种不同的接法，即差分输入、双端输出，差分输入、单端输出，单端输入、双端输出和单端输入、单端输出，如下图所示。当输入、输出的接法不同时，放大电路的性能、特点也不尽相同，下面分别进行介绍。
1．差分输入、双端输出
电路见上图（a）。
2．差分输入、单端输出
电路见上图（b）。由于只从三极管VT1的集电极输出，而另一管VT2集电极的电压变化没有输出，所以△uO约为双端输出时的一半,
如改从VT2集电极输出，则输出电压将与输入电压同相，即Ad的表达式中没有负号。
差模输入电阻和输出电阻为
Rid＝2（R＋rbe） （4．2．23）
RO＝Rc （4．2．24）
这种接法常用于将差分信号转换为单端信号，以便与后面的放大级实现共地。
3．单端输入、双端输出
在单端输入的情况下，输入电压只加在某一个三极管的基极与公共端之间，另一管的基极接地，如上图（c）所示。现在来分析一下单端输入时两个三极管的工作情况
在上图（c）中，设某个瞬时输入电压极性为正，则VT1的集电极电流iC1将增大，流过长尾电阻Re或恒流管的电流也随之增大，于是发射极电位uE升高，但VT2基极回路的电压uBE2－uB2－uE将降低，使VT2的集电极电流iC2减小。可见，在单端输入时，仍然是一个三极管的电流增大，另一管电流减小。
因长尾电阻或恒流三极管引入的共模负反馈将阻止iC1和iC2同时增大或减小，故当共模负反馈足够强时，可认为iC1和iC2之和基本上不变，即△iC1＋△iC2≈0，或△iC1≈-△iC2。说明在单端输入时，发射极电压uE将随输入电压uI变化，当共模反馈足够强时，可认为VT1的输入电压△uBE1=△u1－△uE，VT2的输入电压△uBE2=－△uE。由此可知，△uBE1与△uBE2大小近似相等而极性相反，即两个三极管仍然基本上工作在差分状态。这种接法主要用于单端信号转换为双端输出，以便作为下一级的差分输入信号。
4．单端输入、单端输出
电路如上图（d）所示。由于从单端输出，所以其差模电压放大倍数约为双端输出时的一半。
如果改从VT2的集电极输出，则以上Ad的表达式中没有负号，即输出电压与输入电压相同。
这种接法的特点是在单端输入和单端输出的情况与，比一般的单管放大电路具有较强的抑制零漂的能力。另外，通过从不同的三极管集电极输出，可使输出电压与输入电压成反相或同相关系。
总之，根据以上对差分放大电路输入、输出端四种不同接法的分析，可以得出以下几个结论：
①双端输出时，差模电压放大倍数基本上与单管放大电路的电压放大倍数相同；单端输出时，Ad约为双端输出时的一半。
②双端输出时，输出电阻RO＝2RC；单端输出时，RO=RC。
③双端输出时，因为两管集电极电压的温漂互相抵消，所以在理想情况下共模抑制比KCMT＝∞；单端输出时，由于通过长尾电阻或恒流三极管引入了很强的共模负反馈，因此仍能得到较高的共模抑制比，当然不知双端输出时间高。
④单端输出时，可以选择从不同的三极管输出，而使输出电压与输入电压反相或同相。
⑤单端输入时，由于引入了很强的共模负反馈，两个三极管仍基本上工作在养分状态。
⑥单端输入时，从一个三极管到公共端之间的差模输入电阻Rid≈2（R＋reb）.
现将四种不同接法时差分放大电路的主要性能和特点列出表4－1中，以便对照比较。
四、差分放大电路的输入、输出接法
差分放大电路有两个放大三极管，它们的基极和集电极分别是放大电路的两个输入端和两个输出端。差分放大的输入、输出端可以有四种不同的接法，即差分输入、双端输出，差分输入、单端输出，单端输入、双端输出和单端输入、单端输出，如图4．2．16所示。当输入、输出的接法不同时，放大电路的性能、特点也不尽相同，下面分别进行介绍。
1．差分输入、双端输出
电路见上图（a）。
2．差分输入、单端输出
电路见上图（b）。由于只从三极管VT1的集电极输出，而另一管VT2集电极的电压变化没有输出，所以△uO约为双端输出时的一半,
如改从VT2集电极输出，则输出电压将与输入电压同相，即Ad的表达式中没有负号。
差模输入电阻和输出电阻为
Rid＝2（R＋rbe） （4．2．23）
RO＝Rc （4．2．24）
这种接法常用于将差分信号转换为单端信号，以便与后面的放大级实现共地。
3．单端输入、双端输出
在单端输入的情况下，输入电压只加在某一个三极管的基极与公共端之间，另一管的基极接地，如图4．2．16（c）所示。现在来分析一下单端输入时两个三极管的工作情况
在上图（c）中，设某个瞬时输入电压极性为正，则VT1的集电极电流iC1将增大，流过长尾电阻Re或恒流管的电流也随之增大，于是发射极电位uE升高，但VT2基极回路的电压uBE2－uB2－uE将降低，使VT2的集电极电流iC2减小。可见，在单端输入时，仍然是一个三极管的电流增大，另一管电流减小。
因长尾电阻或恒流三极管引入的共模负反馈将阻止iC1和iC2同时增大或减小，故当共模负反馈足够强时，可认为iC1和iC2之和基本上不变，即△iC1＋△iC2≈0，或△iC1≈-△iC2。说明在单端输入时，发射极电压uE将随输入电压uI变化，当共模反馈足够强时，可认为VT1的输入电压△uBE1=△u1－△uE，VT2的输入电压△uBE2=－△uE。由此可知，△uBE1与△uBE2大小近似相等而极性相反，即两个三极管仍然基本上工作在差分状态。这种接法主要用于单端信号转换为双端输出，以便作为下一级的差分输入信号。
4．单端输入、单端输出
电路如上图（d）所示。由于从单端输出，所以其差模电压放大倍数约为双端输出时的一半。
如果改从VT2的集电极输出，则以上Ad的表达式中没有负号，即输出电压与输入电压相同。
这种接法的特点是在单端输入和单端输出的情况与，比一般的单管放大电路具有较强的抑制零漂的能力。另外，通过从不同的三极管集电极输出，可使输出电压与输入电压成反相或同相关系。
总之，根据以上对差分放大电路输入、输出端四种不同接法的分析，可以得出以下几个结论：
①双端输出时，差模电压放大倍数基本上与单管放大电路的电压放大倍数相同；单端输出时，Ad约为双端输出时的一半。
②双端输出时，输出电阻RO＝2RC；单端输出时，RO=RC。
③双端输出时，因为两管集电极电压的温漂互相抵消，所以在理想情况下共模抑制比KCMT＝∞；单端输出时，由于通过长尾电阻或恒流三极管引入了很强的共模负反馈，因此仍能得到较高的共模抑制比，当然不知双端输出时间高。
④单端输出时，可以选择从不同的三极管输出，而使输出电压与输入电压反相或同相。
⑤单端输入时，由于引入了很强的共模负反馈，两个三极管仍基本上工作在养分状态。
⑥单端输入时，从一个三极管到公共端之间的差模输入电阻Rid≈2（R＋reb）.
现将四种不同接法时差分放大电路的主要性能和特点列出表4－1中，以便对照比较。
四、差分放大电路的输入、输出接法
差分放大电路有两个放大三极管，它们的基极和集电极分别是放大电路的两个输入端和两个输出端。差分放大的输入、输出端可以有四种不同的接法，即差分输入、双端输出，差分输入、单端输出，单端输入、双端输出和单端输入、单端输出，如图4．2．16所示。当输入、输出的接法不同时，放大电路的性能、特点也不尽相同，下面分别进行介绍。
1．差分输入、双端输出
电路见上图（a）。
2．差分输入、单端输出
电路见上图（b）。由于只从三极管VT1的集电极输出，而另一管VT2集电极的电压变化没有输出，所以△uO约为双端输出时的一半,
如改从VT2集电极输出，则输出电压将与输入电压同相，即Ad的表达式中没有负号。
差模输入电阻和输出电阻为
Rid＝2（R＋rbe） （4．2．23）
RO＝Rc （4．2．24）
这种接法常用于将差分信号转换为单端信号，以便与后面的放大级实现共地。
3．单端输入、双端输出
在单端输入的情况下，输入电压只加在某一个三极管的基极与公共端之间，另一管的基极接地，如上图（c）所示。现在来分析一下单端输入时两个三极管的工作情况
在上图（c）中，设某个瞬时输入电压极性为正，则VT1的集电极电流iC1将增大，流过长尾电阻Re或恒流管的电流也随之增大，于是发射极电位uE升高，但VT2基极回路的电压uBE2－uB2－uE将降低，使VT2的集电极电流iC2减小。可见，在单端输入时，仍然是一个三极管的电流增大，另一管电流减小。
因长尾电阻或恒流三极管引入的共模负反馈将阻止iC1和iC2同时增大或减小，故当共模负反馈足够强时，可认为iC1和iC2之和基本上不变，即△iC1＋△iC2≈0，或△iC1≈-△iC2。说明在单端输入时，发射极电压uE将随输入电压uI变化，当共模反馈足够强时，可认为VT1的输入电压△uBE1=△u1－△uE，VT2的输入电压△uBE2=－△uE。由此可知，△uBE1与△uBE2大小近似相等而极性相反，即两个三极管仍然基本上工作在差分状态。这种接法主要用于单端信号转换为双端输出，以便作为下一级的差分输入信号。
4．单端输入、单端输出
电路如上图（d）所示。由于从单端输出，所以其差模电压放大倍数约为双端输出时的一半。
如果改从VT2的集电极输出，则以上Ad的表达式中没有负号，即输出电压与输入电压相同。
这种接法的特点是在单端输入和单端输出的情况与，比一般的单管放大电路具有较强的抑制零漂的能力。另外，通过从不同的三极管集电极输出，可使输出电压与输入电压成反相或同相关系。
总之，根据以上对差分放大电路输入、输出端四种不同接法的分析，可以得出以下几个结论：
①双端输出时，差模电压放大倍数基本上与单管放大电路的电压放大倍数相同；单端输出时，Ad约为双端输出时的一半。
②双端输出时，输出电阻RO＝2RC；单端输出时，RO=RC。
③双端输出时，因为两管集电极电压的温漂互相抵消，所以在理想情况下共模抑制比KCMT＝∞；单端输出时，由于通过长尾电阻或恒流三极管引入了很强的共模负反馈，因此仍能得到较高的共模抑制比，当然不知双端输出时间高。
④单端输出时，可以选择从不同的三极管输出，而使输出电压与输入电压反相或同相。
⑤单端输入时，由于引入了很强的共模负反馈，两个三极管仍基本上工作在养分状态。
⑥单端输入时，从一个三极管到公共端之间的差模输入电阻Rid≈2（R＋reb）.
本章主要介绍集成运算放大电路的基本知识。首先介绍集成放大电路的特点以及集成运算放大电路（简称集成运放）的基本组成部分，在此基础上介绍两种集成运放的典型电路。然后介绍集成运放的主要技术指标，提出理想运放的概念和特点。在本章的最后，介绍有关集成运放应用的实际知识，包括各类集成运放的性能特点以及集成运放使用中的几个具体问题。
学习要求：
①掌握差分放大电路的工作原理以及四种不同输入、输出方式时的性能特点；掌握差模电压放大倍数、差模输入电阻和输出电阻的概念和估算方法。正确理解共模抑制比的概念。
②正确理解电流源（镜像电流源、比例电流源和微电流源）的工作原理。
③掌握集成运放主要技术指标的含义。掌握理想运放的概念，正确理解“虚短”和“虚断”的含义。
④正确理解各种不同类型集成运放的特点，了解集成运放使用过程中的具体问题。
⑤了解集成运算放大电路的特点，各个基本组成部分的作用，了解一种典型集成运放电路的工作原理。
集成电路简称IC（Integrated Circuit），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、外部接线大为减小，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（如真空三极管）称为第一代，1948年出现的半导体器件（如半导体三极管）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（输入量和输出量为高、低两电平且具有一定逻辑关系的电路）和模拟集成电路（数字集成电路以外的集成电路统称为模拟集成电路）；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（场效应管）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器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4．4．1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由集成电路工艺制造出来的元器件，虽然其参数的精度不是很高，受温度的影响也较大，但由于各有关元器件都同处在一个硅片上，距离又非常接近，因此对称性较好，适用于构成差分放大电路。
②由集成电路工艺制造出来的电阻，其阻值范围有一定的局限性，一般大几十欧到几十千欧之间，因此在需要很高阻值的电阻时，就要在电路上另想办法。
③在集成电路中，制造三极管，特别是NPN三极管往往比制造电阻、电容等无源器件更加方便，占用更少的芯片面积，因而成本更低廉。所以在集成放大电路中，常常用三极管代替电阻，尤其是大电阻。
④集成电路工艺不适于制造几十皮法以上的电容器，至于电感器就更困难。因此放大级之间通常都采用直接耦合方式，而不采用阻容耦合方式。
⑤直接耦合放大电路中，经常遇到既有NPN又有PNP管的情况，但在单片集成电路中，一般情况下PNP管只能做成横向的，此时它的β值比较小（1≤0），而不能像分立器件那样，使PNPT和PNP管的特性匹配得比较接近。在分析时，横向PNP管的β＋1和β值差别比较大。
总起来说，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不圈套的差别。
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（一般为微安级）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。
在集成运放中，常用的偏置电路有以下几种：
镜像电流源也称为电流镜（Current Mirror），在集成运放中应用十分广泛，它的电路如下图所示。
电源VCC通过电阻R和VT1，产生一个基准电流IREF，由图可得
然后在VT2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
(4.2.2)
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的发射极分别入两个电阻R1和R2，即可组成比例电流源，如下图所示。
由于VT1、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≈IE2R2，则
IE1R1≈IE2R2
如果两管的基极电流可以忽略，由上式可得
(4.2.3)
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几乎按同样的规律活动，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，则所有电阻将达兆欧级，在集成电路中无法实现。
4．2．2 差分放大输入级
集成运放的输入对于它的许多指标诸如电阻、共模输入电压、差模输入电压和共模抑制比等等，起着决定性的作用，因此是提高集成运放质量的关键。
为了发挥集成电路内部元件参数匹配较好、易于补偿的优点，输入级大都采用差分放大电路的形式。
差分放大电路常见的形式有三种：基本形式、长尾式和恒流源式。
一、基本形式差分放大电路
1．电路组成
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，如下图所示。输入电压分成相同的两部分加到两管的基极，输出电压等于两管的集电极电压之差。
假设VT1和VT2的特性完全相同，相应的电阻也完全一致，则当输入电压等于零时，UCQ1＝UCQ2，即UO＝0。如果温度升高使ICQ1增大，UCQ1降低，则由于电路结构对称，ICQ2也将增大，UCQ2也将降低，而且两管变化的幅度相等，结果VT1和VT2输出端的零点漂移将互相抵消。
2．电压放大倍数
当外加一个输入电压时，由于电路结构对称，VT1和VT2基极得到的输入电压将大小相等，但极性相反，如上图所示。这样的输入电压称为差模输入电压，用uId，则放大电路输出电压的变化量为
△uo＝△uC1－△uC2=△uID
所以差分放大电路的差模电压放大倍数为
Ad=Au1 (4.2.5)
上式表明，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。
但是从抑制零漂的效果来看，基本形式的差分放大电路并不理想。其原因是电路两侧的管子特性和元件参数不可能完全相同，因此两个三极管输出端的温漂也不可能完全抵消。为了衡量对零漂的抑制效果，需要提出一个技术指标，这就是共模抑制比。
3．共模抑制比
差分放大电路的输入电压有两种形式，一种是差模输入电压uId，即两个差放管的输入电压大小相等，但极性相反，见上图。另一种是共模输入电压，即两个差放管的输入电压大小相等，且极性相同，用uIc表示，见下图。
如果温度变化，两个差放管的电流将按相同的方向一起增大或减小，相当于给放大电路加上一个共模输入信号。所以可以认为，差模输入信号反映了有效的信号，而共模输入信号可以反映由于温度变化等原因而产生的漂移信号或其他干扰信号。
放大电路对差模输入电压的放大倍数称为差模电压放大倍数，用Ad表示，即
(4.2.6)
而放大电路对共模输入电压的放大倍数称为共模电压放大倍数，用Ac表示，即
(4.2.7)
通常希望差分放大电路的差模电压放大倍数愈大愈好，而共模电压放大倍数愈小愈好。
差分放大电路找人模抑制比用符号KCMR表示，它的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，即
(4.2.8)
共模抑制比描述差分放大电路对零漂的抑制能力。KCMR愈大，说明抑制零漂的能力愈强。在理想情况下，差分放大电路两侧的参数完全对称，两管输出端的温漂完全抵消，则共模电压放大倍数Ac＝0，共模抑制比KCMR＝∞。
对于基本形式的差分放大电路来说，由于内部参数不可能绝对匹配，所以输出电压UO仍然存在温度漂移，共模抑制比很低。而且，从每个三极管的集电极对地电压来看，其温度漂移与单管放大电路相同，丝毫没有改善。因此，在实际工作中一般不采用这种基本形式的差分放大电路。
二、长尾式差分放大电路
为了减小每个管子输出端的温漂，引出了长尾式差分放大电路。
1．电路组成
在两个放大管的发射极接入一个发射极电阻Re，如下图所示。这个电阻一般称为“长尾”，所以这种电路称为长尾式差分放大电路。
长尾电阻Re的作用是引入一个共模负反馈，也就是说，Re对共模信号有负反馈作用，而对并模信号没有负反馈作用。假设在电路输入端加上正的共模信号，则两个管子的集电极电流iC1、iC2同时增加，使流过发射极电阻Re的电流iE增加，于是发射极电位uE升高，反馈到两管的基极回路中，使uBE1、uBE2降低，从而限制了iC1、iC2的增加。
但是对于差模输入信号，由于两管的输入信号幅度相等而极性相反，所以iC1增加多少，i C2就减少同样的数量，因而流过RE的电流总量保持不变，则△uE＝0，所以对于差模信号没有反馈作用。
Re愈大，共模负反馈愈强，则抑制零漂的效果愈好。但是，随着Re的增大，Re上的直流压降将愈来愈大。为此，在电路中引入一个负电源VEE来补偿Re上的直流压降，以免输出电压变化范围大小。引入VEE以后，静态基极电流可由VEE提供，因此可以不接基极电阻Rb，如上图所示。
2．静态分析
当输入电压等于零时，由于电路结构对称，故设IBQ1＝IBQ2＝IBQ，ICQ1＝ICQ2＝ICQ，UBEQ1＝UBQ2＝UBQ，UCQ1＝UCQ2＝UCQ，β1＝β2＝β，由三极管的基极回路可得静态集电极电流和电位为
ICQ≈βIBQ
UCQ＝VCC－ICQRC（对地）
静态基极电位为
UBQ=－IBQR（对地） （4．2．12）
三、恒流源式差分放大电路
1．电路组成
恒流源式差分放大电路如下图所示。由图可见，恒流管VT3的基极电位由电阻Rb1、Rb2分压后得到，可认为基本不受温度变化的影响，则当温度变化时VT3的发射极电位和发射极电流也基本保持稳定，而两个放大管的集电极电流iC1和iC2之和近似等于iC3，所以iC1和iC2将不会因温度的变化而同时增大或减小，可见，接入恒流三极管后，抑制了共模信号的变化。
有时，为了简化起见，常常不把恒流式差分放大电路中恒流管VT3的具体电路画出，而采用一个简化的恒流源符号来表示，如下图所示。
2．静态分析
估算恒流源式差分别电路的静态工作点时，通常可以从确定恒流三极管的电流开始。当忽略VT3的基流时，可得到两个放大管的静态电流和电压为
ICQ1=0.5ICQ3 (4.2.18)
UBQ1= - IBQ1R (4.21)
四、差分放大电路的输入、输出接法
差分放大电路有两个放大三极管，它们的基极和集电极分别是放大电路的两个输入端和两个输出端。差分放大的输入、输出端可以有四种不同的接法，即差分输入、双端输出，差分输入、单端输出，单端输入、双端输出和单端输入、单端输出，如下图所示。当输入、输出的接法不同时，放大电路的性能、特点也不尽相同，下面分别进行介绍。
1．差分输入、双端输出
电路见上图（a）。
2．差分输入、单端输出
电路见上图（b）。由于只从三极管VT1的集电极输出，而另一管VT2集电极的电压变化没有输出，所以△uO约为双端输出时的一半,
如改从VT2集电极输出，则输出电压将与输入电压同相，即Ad的表达式中没有负号。
差模输入电阻和输出电阻为
Rid＝2（R＋rbe） （4．2．23）
RO＝Rc （4．2．24）
这种接法常用于将差分信号转换为单端信号，以便与后面的放大级实现共地。
3．单端输入、双端输出
在单端输入的情况下，输入电压只加在某一个三极管的基极与公共端之间，另一管的基极接地，如上图（c）所示。现在来分析一下单端输入时两个三极管的工作情况
在上图（c）中，设某个瞬时输入电压极性为正，则VT1的集电极电流iC1将增大，流过长尾电阻Re或恒流管的电流也随之增大，于是发射极电位uE升高，但VT2基极回路的电压uBE2－uB2－uE将降低，使VT2的集电极电流iC2减小。可见，在单端输入时，仍然是一个三极管的电流增大，另一管电流减小。
因长尾电阻或恒流三极管引入的共模负反馈将阻止iC1和iC2同时增大或减小，故当共模负反馈足够强时，可认为iC1和iC2之和基本上不变，即△iC1＋△iC2≈0，或△iC1≈-△iC2。说明在单端输入时，发射极电压uE将随输入电压uI变化，当共模反馈足够强时，可认为VT1的输入电压△uBE1=△u1－△uE，VT2的输入电压△uBE2=－△uE。由此可知，△uBE1与△uBE2大小近似相等而极性相反，即两个三极管仍然基本上工作在差分状态。这种接法主要用于单端信号转换为双端输出，以便作为下一级的差分输入信号。
4．单端输入、单端输出
电路如上图（d）所示。由于从单端输出，所以其差模电压放大倍数约为双端输出时的一半。
如果改从VT2的集电极输出，则以上Ad的表达式中没有负号，即输出电压与输入电压相同。
这种接法的特点是在单端输入和单端输出的情况与，比一般的单管放大电路具有较强的抑制零漂的能力。另外，通过从不同的三极管集电极输出，可使输出电压与输入电压成反相或同相关系。
总之，根据以上对差分放大电路输入、输出端四种不同接法的分析，可以得出以下几个结论：
①双端输出时，差模电压放大倍数基本上与单管放大电路的电压放大倍数相同；单端输出时，Ad约为双端输出时的一半。
②双端输出时，输出电阻RO＝2RC；单端输出时，RO=RC。
③双端输出时，因为两管集电极电压的温漂互相抵消，所以在理想情况下共模抑制比KCMT＝∞；单端输出时，由于通过长尾电阻或恒流三极管引入了很强的共模负反馈，因此仍能得到较高的共模抑制比，当然不知双端输出时间高。
④单端输出时，可以选择从不同的三极管输出，而使输出电压与输入电压反相或同相。
⑤单端输入时，由于引入了很强的共模负反馈，两个三极管仍基本上工作在养分状态。
⑥单端输入时，从一个三极管到公共端之间的差模输入电阻Rid≈2（R＋reb）.
现将四种不同接法时差分放大电路的主要性能和特点列出表4－1中，以便对照比较。
四、差分放大电路的输入、输出接法
差分放大电路有两个放大三极管，它们的基极和集电极分别是放大电路的两个输入端和两个输出端。差分放大的输入、输出端可以有四种不同的接法，即差分输入、双端输出，差分输入、单端输出，单端输入、双端输出和单端输入、单端输出，如图4．2．16所示。当输入、输出的接法不同时，放大电路的性能、特点也不尽相同，下面分别进行介绍。
1．差分输入、双端输出
电路见上图（a）。
2．差分输入、单端输出
电路见上图（b）。由于只从三极管VT1的集电极输出，而另一管VT2集电极的电压变化没有输出，所以△uO约为双端输出时的一半,
如改从VT2集电极输出，则输出电压将与输入电压同相，即Ad的表达式中没有负号。
差模输入电阻和输出电阻为
Rid＝2（R＋rbe） （4．2．23）
RO＝Rc （4．2．24）
这种接法常用于将差分信号转换为单端信号，以便与后面的放大级实现共地。
3．单端输入、双端输出
在单端输入的情况下，输入电压只加在某一个三极管的基极与公共端之间，另一管的基极接地，如图4．2．16（c）所示。现在来分析一下单端输入时两个三极管的工作情况
在上图（c）中，设某个瞬时输入电压极性为正，则VT1的集电极电流iC1将增大，流过长尾电阻Re或恒流管的电流也随之增大，于是发射极电位uE升高，但VT2基极回路的电压uBE2－uB2－uE将降低，使VT2的集电极电流iC2减小。可见，在单端输入时，仍然是一个三极管的电流增大，另一管电流减小。
因长尾电阻或恒流三极管引入的共模负反馈将阻止iC1和iC2同时增大或减小，故当共模负反馈足够强时，可认为iC1和iC2之和基本上不变，即△iC1＋△iC2≈0，或△iC1≈-△iC2。说明在单端输入时，发射极电压uE将随输入电压uI变化，当共模反馈足够强时，可认为VT1的输入电压△uBE1=△u1－△uE，VT2的输入电压△uBE2=－△uE。由此可知，△uBE1与△uBE2大小近似相等而极性相反，即两个三极管仍然基本上工作在差分状态。这种接法主要用于单端信号转换为双端输出，以便作为下一级的差分输入信号。
4．单端输入、单端输出
电路如上图（d）所示。由于从单端输出，所以其差模电压放大倍数约为双端输出时的一半。
如果改从VT2的集电极输出，则以上Ad的表达式中没有负号，即输出电压与输入电压相同。
这种接法的特点是在单端输入和单端输出的情况与，比一般的单管放大电路具有较强的抑制零漂的能力。另外，通过从不同的三极管集电极输出，可使输出电压与输入电压成反相或同相关系。
总之，根据以上对差分放大电路输入、输出端四种不同接法的分析，可以得出以下几个结论：
①双端输出时，差模电压放大倍数基本上与单管放大电路的电压放大倍数相同；单端输出时，Ad约为双端输出时的一半。
②双端输出时，输出电阻RO＝2RC；单端输出时，RO=RC。
③双端输出时，因为两管集电极电压的温漂互相抵消，所以在理想情况下共模抑制比KCMT＝∞；单端输出时，由于通过长尾电阻或恒流三极管引入了很强的共模负反馈，因此仍能得到较高的共模抑制比，当然不知双端输出时间高。
④单端输出时，可以选择从不同的三极管输出，而使输出电压与输入电压反相或同相。
⑤单端输入时，由于引入了很强的共模负反馈，两个三极管仍基本上工作在养分状态。
⑥单端输入时，从一个三极管到公共端之间的差模输入电阻Rid≈2（R＋reb）.
现将四种不同接法时差分放大电路的主要性能和特点列出表4－1中，以便对照比较。
四、差分放大电路的输入、输出接法
差分放大电路有两个放大三极管，它们的基极和集电极分别是放大电路的两个输入端和两个输出端。差分放大的输入、输出端可以有四种不同的接法，即差分输入、双端输出，差分输入、单端输出，单端输入、双端输出和单端输入、单端输出，如图4．2．16所示。当输入、输出的接法不同时，放大电路的性能、特点也不尽相同，下面分别进行介绍。
1．差分输入、双端输出
电路见上图（a）。
2．差分输入、单端输出
电路见上图（b）。由于只从三极管VT1的集电极输出，而另一管VT2集电极的电压变化没有输出，所以△uO约为双端输出时的一半,
如改从VT2集电极输出，则输出电压将与输入电压同相，即Ad的表达式中没有负号。
差模输入电阻和输出电阻为
Rid＝2（R＋rbe） （4．2．23）
RO＝Rc （4．2．24）
这种接法常用于将差分信号转换为单端信号，以便与后面的放大级实现共地。
3．单端输入、双端输出
在单端输入的情况下，输入电压只加在某一个三极管的基极与公共端之间，另一管的基极接地，如上图（c）所示。现在来分析一下单端输入时两个三极管的工作情况
在上图（c）中，设某个瞬时输入电压极性为正，则VT1的集电极电流iC1将增大，流过长尾电阻Re或恒流管的电流也随之增大，于是发射极电位uE升高，但VT2基极回路的电压uBE2－uB2－uE将降低，使VT2的集电极电流iC2减小。可见，在单端输入时，仍然是一个三极管的电流增大，另一管电流减小。
因长尾电阻或恒流三极管引入的共模负反馈将阻止iC1和iC2同时增大或减小，故当共模负反馈足够强时，可认为iC1和iC2之和基本上不变，即△iC1＋△iC2≈0，或△iC1≈-△iC2。说明在单端输入时，发射极电压uE将随输入电压uI变化，当共模反馈足够强时，可认为VT1的输入电压△uBE1=△u1－△uE，VT2的输入电压△uBE2=－△uE。由此可知，△uBE1与△uBE2大小近似相等而极性相反，即两个三极管仍然基本上工作在差分状态。这种接法主要用于单端信号转换为双端输出，以便作为下一级的差分输入信号。
4．单端输入、单端输出
电路如上图（d）所示。由于从单端输出，所以其差模电压放大倍数约为双端输出时的一半。
如果改从VT2的集电极输出，则以上Ad的表达式中没有负号，即输出电压与输入电压相同。
这种接法的特点是在单端输入和单端输出的情况与，比一般的单管放大电路具有较强的抑制零漂的能力。另外，通过从不同的三极管集电极输出，可使输出电压与输入电压成反相或同相关系。
总之，根据以上对差分放大电路输入、输出端四种不同接法的分析，可以得出以下几个结论：
①双端输出时，差模电压放大倍数基本上与单管放大电路的电压放大倍数相同；单端输出时，Ad约为双端输出时的一半。
②双端输出时，输出电阻RO＝2RC；单端输出时，RO=RC。
③双端输出时，因为两管集电极电压的温漂互相抵消，所以在理想情况下共模抑制比KCMT＝∞；单端输出时，由于通过长尾电阻或恒流三极管引入了很强的共模负反馈，因此仍能得到较高的共模抑制比，当然不知双端输出时间高。
④单端输出时，可以选择从不同的三极管输出，而使输出电压与输入电压反相或同相。
⑤单端输入时，由于引入了很强的共模负反馈，两个三极管仍基本上工作在养分状态。
⑥单端输入时，从一个三极管到公共端之间的差模输入电阻Rid≈2（R＋reb）.