運(yùn)算放大器

運(yùn)算放大器（Operation   lifier）它是一種高放大倍數(shù)的直接耦合放大器，是一種應(yīng)用廣泛的模擬電子集成電路產(chǎn)品，因曾經(jīng)是模擬電子計(jì)算機(jī)中的多種數(shù)學(xué)運(yùn)算器而得名。

運(yùn)算放大器起源于蒸汽機(jī)時(shí)代，離心調(diào)速器的負(fù)反饋原理為其奠定了基礎(chǔ)。20世紀(jì)20年代末30年代初，貝爾電話實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了反饋放大器原理，為運(yùn)算放大器的發(fā)展鋪平了道路。這一重要發(fā)明直接導(dǎo)致了真空管運(yùn)算放大器的首次出現(xiàn)，它于20世紀(jì)40年代初問(wèn)世。1964 年，F(xiàn)SC公司研制出第一個(gè)集成運(yùn)算放大器μA702集成運(yùn)算放大器自1964年誕生以來(lái)，經(jīng)歷了四次重要的迭代，如今其應(yīng)用范圍得到了極大的拓展，可以用于不同頻段的放大器、振蕩器、有源濾波器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路、在高精度測(cè)量電路和電源模塊等許多場(chǎng)合。

運(yùn)算放大器有各種形狀，內(nèi)部電路分為輸入級(jí)、中間級(jí)和輸出級(jí)，它們直接耦合。偏置電路提供穩(wěn)定的偏置電流并增加電壓增益。運(yùn)算放大器按工作原理可分為真空管運(yùn)算放大器、晶體管運(yùn)算放大器。按其用途可分為通用型和專(zhuān)用型。它廣泛應(yīng)用于集成電路中、視頻監(jiān)控、以及開(kāi)關(guān)電源電路等領(lǐng)域。

背景

運(yùn)算放大器的歷史可以追溯到瓦特 蒸汽機(jī)時(shí)代。瓦特改進(jìn)紐科門(mén)蒸汽機(jī)時(shí)，關(guān)鍵的突破是離心調(diào)速器的發(fā)明。首次將負(fù)反饋原理應(yīng)用于離心調(diào)速器，實(shí)現(xiàn)了蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速的自動(dòng)調(diào)節(jié)反饋控制的思想不僅成為自動(dòng)控制的核心，而且深刻地影響了模擬電路領(lǐng)域。20世紀(jì)初，真空三極管的出現(xiàn)使微弱信號(hào)的放大成為可能這項(xiàng)技術(shù)很快被用于電話信號(hào)傳輸，但它面臨著放大器增益不穩(wěn)定的問(wèn)題。哈羅德·布萊克借鑒了離心調(diào)速器的原理，發(fā)明了負(fù)反饋放大器，從而解決了這個(gè)問(wèn)題。反饋放大器是增益遠(yuǎn)大于實(shí)際增益的放大器，將放大器輸出信號(hào)的一部分反饋到輸入端，用反饋信號(hào)抑制輸入信號(hào)。電路的增益由無(wú)反饋控制，與放大器無(wú)關(guān)。這是負(fù)反饋放大器的基本原理，至今仍是運(yùn)算放大器的核心原理。第一個(gè)運(yùn)算放大器誕生了

如上所述，20世紀(jì)20年代末30年代初，貝爾電話實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了反饋放大器原理，為運(yùn)算放大器的發(fā)展鋪平了道路。這一重要發(fā)明直接導(dǎo)致了真空管運(yùn)算放大器的首次出現(xiàn)，它于20世紀(jì)40年代初問(wèn)世，一直使用到二戰(zhàn)。二戰(zhàn)后，真空管運(yùn)算放大器得到了改進(jìn)和完善，但仍然龐大、耗電量高。

真空管運(yùn)算放大器體積龐大，功耗高比如M9真空管運(yùn)算放大器的6L6管總功耗在25W左右，包括陽(yáng)極和燈絲功耗。其他真空管損耗也高，導(dǎo)致整個(gè)放大器最低功耗達(dá)到20W。相比之下，現(xiàn)代集成運(yùn)算放大器通常只需要幾百毫瓦的功耗，這是一個(gè)巨大的差距。另外，真空管運(yùn)算放大器需要很多輔助設(shè)備，比如燈絲變壓器、高壓變壓器、整流濾波電路和交流穩(wěn)壓電源使整個(gè)系統(tǒng)笨重復(fù)雜。由 50  美國(guó)制造了晶體管運(yùn)算放大器，不僅縮小了尺寸，而且降低了功耗和電源電壓，形成了理想的元件，其功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了模擬運(yùn)算的范圍，被廣泛應(yīng)用于各種電子技術(shù)領(lǐng)域。

集成運(yùn)算放大器取代真空運(yùn)算放大器

19643356年，F(xiàn)SC公司研制出世界上第一個(gè)單片集成運(yùn)算放大器μA702。它把電路中所有的晶體管電阻和元件之間的連接線一起放在一個(gè)小硅片上，它由“部件”它變成了一個(gè)小設(shè)備，人們可以直接把它當(dāng)作通用設(shè)備來(lái)使用。

運(yùn)算放大器

集成運(yùn)算放大器的四次迭代

第一代集成運(yùn)算放大器以1965年問(wèn)世的FC3為代表。其特點(diǎn)是采用微電流源共模負(fù)反饋和標(biāo)準(zhǔn)電源電壓(士15V)在開(kāi)環(huán)電壓增益、輸入電阻、失調(diào)電壓、溫度漂移共模輸入電壓范圍等技術(shù)指標(biāo)比一般的分立元件直接耦合放大器電路有所提高。

第二代集成運(yùn)算放大器以19663356年問(wèn)世的F007或5G24為代表。其特點(diǎn)是采用恒流源負(fù)載，進(jìn)一步提高了開(kāi)環(huán)差模電壓增益;將放大級(jí)的數(shù)量從三個(gè)減少到兩個(gè)使得防止自激更加容易一般來(lái)說(shuō)，只需要外接一個(gè)30pF的電容(F007 已經(jīng)預(yù)制在電路內(nèi)部)電路中還有過(guò)載保護(hù)，防止集成運(yùn)算放大器因過(guò)流而損壞。

第三代集成運(yùn)算放大器以1972年問(wèn)世的4E325為代表。它的特點(diǎn)是采用“超管”輸入級(jí)被組成，并且在布局設(shè)計(jì)中考慮了熱反饋的影響，因此開(kāi)環(huán)電壓增益、共模抑制比、失調(diào)電壓、失調(diào)電流和溫度漂移等技術(shù)指標(biāo)得到了改善。

第四代集成運(yùn)算放大器以1973年問(wèn)世的HA2900 為代表。其特點(diǎn)是制造工藝已進(jìn)入大規(guī)模集成階段，場(chǎng)效應(yīng)晶體管和雙極晶體管在同一硅片上兼容，并采取調(diào)制解調(diào)等措施進(jìn)一步降低失調(diào)電壓和溫度漂移，使其性能指標(biāo)在一般情況下無(wú)需調(diào)零即可使用。

現(xiàn)在集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用已經(jīng)大大擴(kuò)展，可以用于不同頻段的放大器、振蕩器、有源濾波器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路、在高精度測(cè)量電路和電源模塊等許多場(chǎng)合。

命名

集成運(yùn)算放大器電路的符號(hào)如圖所示。它有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端，其中標(biāo)尺“+”或“所述同相輸入的結(jié)束，標(biāo)準(zhǔn)“或“的引腳代表反相輸入引腳。輸出端標(biāo)有加號(hào)，這意味著輸出信號(hào)的極性與從同相端輸入的信號(hào)的極性相同，但與從反相端輸入的信號(hào)的極性相反。

集成運(yùn)算放大器的等效電路如圖所示，其中 代表運(yùn)算放大器的差模輸入電阻和運(yùn)算放大器的輸出電阻。

集成運(yùn)算放大器通常具有雙列直插式形狀、扁平式和圓形簡(jiǎn)易式等，集成運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路一般由輸入級(jí)組成、中間級(jí)和輸出級(jí)，級(jí)間直接耦合。

集成運(yùn)算放大器的輸入級(jí)是一個(gè)關(guān)鍵部分，它需要很高的輸入電阻、降低零漂、抑制干擾。通常由半導(dǎo)體三極管制成、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管或絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管與恒流源構(gòu)成差分放大電路，提高了輸入阻抗，減小了零點(diǎn)漂移，增強(qiáng)了共模抑制。輸入級(jí)通常工作在低電流狀態(tài)，以獲得高輸入阻抗。

中間級(jí)主要用于電壓放大，以實(shí)現(xiàn)總增益。獲得運(yùn)算放大器的總增益通常需要盡可能提高電壓放大系數(shù)，并提供大的輸出電流。為此通常采用一級(jí)或多級(jí)恒流源負(fù)載的共發(fā)射極電路，可以達(dá)到極高的增益，有時(shí)可達(dá)幾千倍。

輸出級(jí)要求低輸出電阻、強(qiáng)負(fù)載能力、大電壓大電流輸出，過(guò)載保護(hù)。射極跟隨器或互補(bǔ)射極跟隨器通常用于實(shí)現(xiàn)低輸出阻抗，增強(qiáng)負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力，擴(kuò)大電流動(dòng)態(tài)范圍。偏置電路提供穩(wěn)定的偏置電流，確定工作點(diǎn)，并提高電壓增益。恒流源的各種組合通常用在各級(jí)電路中。

理想情況下，運(yùn)算放大器的增益是無(wú)窮大，但實(shí)際上，在開(kāi)環(huán)模式下，增益只有200，000左右。在開(kāi)環(huán)模式下， 的輸出和輸入之間沒(méi)有反饋，電壓增益最大。在實(shí)際電路中，如果兩個(gè)輸入端之間存在很小的電位差，輸出電壓會(huì)趨于最大電源電平。由于運(yùn)算放大器的內(nèi)部壓降，最大輸出電壓僅為電源電壓的90%左右。這樣的輸出被認(rèn)為是飽和的，并且可以用來(lái)指示輸出的兩個(gè)極性。開(kāi)環(huán)模式主要用于電壓比較器和電平檢測(cè)電路。運(yùn)算放大器的通用性在于它可以在閉環(huán)模式下應(yīng)用于多種類(lèi)型的電路。外部元件用于將輸出電壓的一部分反饋到反相輸入端。這種反饋可以穩(wěn)定大多數(shù)電路并降低噪聲水平。電壓增益將小于開(kāi)環(huán)模式下的最大增益。

在實(shí)際電路中，閉環(huán)增益必須控制在一定值。一個(gè)電阻串聯(lián)在反相輸入端（如圖3），你可以控制運(yùn)算放大器的增益。電路中的電壓增益由和的比值決定，表示為：公式中，負(fù)號(hào)僅表示運(yùn)算放大器電路反向輸入連接，不影響計(jì)算。例如，如果=10kΩ、=100kΩ，則=10。即若有0.01V的輸入電壓將產(chǎn)生0.1V的輸出電壓。如果=1kΩ，則增加到100。此時(shí)，0.01V的輸入電壓產(chǎn)生1V的輸出電壓。

如果和的值相同，或稱(chēng)為單位增益。單位增益也可以通過(guò)直接將輸出端與輸入端相連來(lái)獲得，如圖4所示。在這種同相輸入連接中，輸出電壓等于輸入電壓，并且。

輸入失調(diào)電壓（Vos）

指為了使運(yùn)算放大器的輸出電壓為零，必須施加在兩個(gè)輸入端之間的DC電壓。

開(kāi)環(huán)電壓增益(Ad)

80 ~ 1403356 decibels（在標(biāo)稱(chēng)電源電壓和25℃的溫度下，當(dāng)運(yùn)算放大器的靜態(tài)輸出電壓為零時(shí)，輸入偏置電流流動(dòng)(或流出)BJT的平均電流(雙極型三極管) 10 ~ 100mA, field effect transistor(場(chǎng)效應(yīng)管)1～10 帕。

輸入失調(diào)電流(Ios)

衡量集成運(yùn)算放大器兩個(gè)偏置電流之間不對(duì)稱(chēng)性的指標(biāo)，一般定義為輸入信號(hào)為零時(shí)，運(yùn)算放大器在標(biāo)稱(chēng)電源電壓和室溫下兩個(gè)輸入端的偏置電流之差。

最大輸出電壓(Uom)

最大輸出電壓又稱(chēng)輸出電壓擺幅，定義為運(yùn)算放大器在額定電源電壓和額定負(fù)載下，無(wú)明顯失真時(shí)所獲得的最大峰值輸出電壓，一般比電源電壓低 2~4 V(輸出管飽和電壓)

增益帶寬積(GBW)

增益帶寬積定義為低頻或差分電增益與帶寬的乘積，單位為Hz。對(duì)于單極放大器的頻率特性，其 GBW 是常數(shù)。在實(shí)際使用中，集成“運(yùn)放”幾乎總是在閉環(huán)中工作。

共模抑制比(KCMR)

該指示器的大小表示集成“運(yùn)放”對(duì)共模信號(hào)(它通常是一個(gè)干擾信號(hào))的抑制能力。定義為開(kāi)環(huán)差模增益與開(kāi)環(huán)共模增益之比，工程上常用分貝表示。共模抑制比指標(biāo)在微弱信號(hào)放大中非常重要，因?yàn)樵诤芏鄬?shí)際場(chǎng)合都存在共模干擾信號(hào)。比如信號(hào)源是有源橋式電路的輸出，或者信號(hào)源通過(guò)長(zhǎng)電纜連接到放大器的輸入端，都可能造成放大器的接地端和信號(hào)源的接地端電位不同，從而造成共模干擾。

擺速(SR)

根據(jù)定義，擺率(轉(zhuǎn)換速率)是表示“運(yùn)放”最大允許輸出電壓 V與時(shí)間變化率的關(guān)系。擺幅速度描述了運(yùn)算放大器對(duì)內(nèi)部電容或負(fù)載電容充放電的能力。定義為:當(dāng)階躍電壓施加到輸入端時(shí)，差分級(jí)在一側(cè)被切斷、一側(cè)導(dǎo)電時(shí)輸出電壓的變化率。

最大差模輸入電壓(Vidm)和最大共模輸入電壓(Vicm)

在實(shí)際工作中，整合“運(yùn)放” 的最大差模輸入電壓受輸入級(jí)發(fā)射極結(jié)反向擊穿電壓的限制，任何情況下都不能超過(guò)該值，否則會(huì)損壞器件。當(dāng)輸入端的最大共模電壓超過(guò) 時(shí)，放大器將無(wú)法正常工作。運(yùn)算放大器的優(yōu)缺點(diǎn)

真空管運(yùn)算放大器

優(yōu)點(diǎn)：輸入阻抗高、輸出功率大、沒(méi)有帶寬限制。

缺點(diǎn)：消耗熱量多、真空管壽命有限、真空管不穩(wěn)定、怕震動(dòng)。

晶體管運(yùn)算放大器

優(yōu)點(diǎn)：消耗熱量小、壽命長(zhǎng)、可靠度高、不怕震動(dòng)。

缺點(diǎn)：輸入阻抗低、輸出功率小、頻帶寬度小。

按工作原理分類(lèi)

真空管運(yùn)算放大器、晶體管運(yùn)算放大器。

按其用途分類(lèi)

晶體管運(yùn)算放大器根據(jù)用途分為通用型和專(zhuān)用型。

通用晶體管運(yùn)算放大器：通用晶體管運(yùn)算放大器參數(shù)均衡全面，適合一般工程設(shè)計(jì)。一般認(rèn)為，工作時(shí)沒(méi)有特殊參數(shù)要求的集成運(yùn)算放大器可以歸為通用型。通用型因?yàn)閼?yīng)用范圍廣，產(chǎn)量大，所以價(jià)格便宜。作為一般應(yīng)用，應(yīng)首先選擇一般類(lèi)型。

特種晶體管運(yùn)算放大器：這類(lèi)晶體管運(yùn)算放大器是為滿足某些特殊要求而設(shè)計(jì)的，其一個(gè)或多個(gè)參數(shù)往往非常突出，因此可分為:低功耗或微功耗集成運(yùn)算放大器、高速集成運(yùn)算放大器、寬帶集成運(yùn)算放大器（一般增益帶寬乘積應(yīng)大于10 MHz）高精度集成運(yùn)算放大器（特點(diǎn)是高增益、高共模抑制比、低偏流、低溫漂、低噪聲等）高壓集成運(yùn)算放大器（正常輸出電壓u大于22 伏）功率集成運(yùn)算放大器、高輸入阻抗集成運(yùn)算放大器、電流模式集成運(yùn)算放大器、跨導(dǎo)集成運(yùn)算放大器、可編程集成運(yùn)算放大器、低噪聲集成運(yùn)算放大器、集成電壓跟隨器、集成電壓跟隨器。