运算放大器

运算放大器（Operation   lifier）它是一种高放大倍数的直接耦合放大器，是一种应用广泛的模拟电子集成电路产品，因曾经是模拟电子计算机中的多种数学运算器而得名。

运算放大器起源于蒸汽机时代，离心调速器的负反馈原理为其奠定了基础。20世纪20年代末30年代初，贝尔电话实验室发明了反馈放大器原理，为运算放大器的发展铺平了道路。这一重要发明直接导致了真空管运算放大器的首次出现，它于20世纪40年代初问世。1964 年，FSC公司研制出第一个集成运算放大器μA702集成运算放大器自1964年诞生以来，经历了四次重要的迭代，如今其应用范围得到了极大的拓展，可以用于不同频段的放大器、振荡器、有源滤波器、模/数转换电路、在高精度测量电路和电源模块等许多场合。

运算放大器有各种形状，内部电路分为输入级、中间级和输出级，它们直接耦合。偏置电路提供稳定的偏置电流并增加电压增益。运算放大器按工作原理可分为真空管运算放大器、晶体管运算放大器。按其用途可分为通用型和专用型。它广泛应用于集成电路中、视频监控、以及开关电源电路等领域。

背景

运算放大器的历史可以追溯到瓦特 蒸汽机时代。瓦特改进纽科门蒸汽机时，关键的突破是离心调速器的发明。首次将负反馈原理应用于离心调速器，实现了蒸汽机转速的自动调节反馈控制的思想不仅成为自动控制的核心，而且深刻地影响了模拟电路领域。20世纪初，真空三极管的出现使微弱信号的放大成为可能这项技术很快被用于电话信号传输，但它面临着放大器增益不稳定的问题。哈罗德·布莱克借鉴了离心调速器的原理，发明了负反馈放大器，从而解决了这个问题。反馈放大器是增益远大于实际增益的放大器，将放大器输出信号的一部分反馈到输入端，用反馈信号抑制输入信号。电路的增益由无反馈控制，与放大器无关。这是负反馈放大器的基本原理，至今仍是运算放大器的核心原理。第一个运算放大器诞生了

如上所述，20世纪20年代末30年代初，贝尔电话实验室发明了反馈放大器原理，为运算放大器的发展铺平了道路。这一重要发明直接导致了真空管运算放大器的首次出现，它于20世纪40年代初问世，一直使用到二战。二战后，真空管运算放大器得到了改进和完善，但仍然庞大、耗电量高。

真空管运算放大器体积庞大，功耗高比如M9真空管运算放大器的6L6管总功耗在25W左右，包括阳极和灯丝功耗。其他真空管损耗也高，导致整个放大器最低功耗达到20W。相比之下，现代集成运算放大器通常只需要几百毫瓦的功耗，这是一个巨大的差距。另外，真空管运算放大器需要很多辅助设备，比如灯丝变压器、高压变压器、整流滤波电路和交流稳压电源使整个系统笨重复杂。由 50  美国制造了晶体管运算放大器，不仅缩小了尺寸，而且降低了功耗和电源电压，形成了理想的元件，其功能远远超出了模拟运算的范围，被广泛应用于各种电子技术领域。

集成运算放大器取代真空运算放大器

19643356年，FSC公司研制出世界上第一个单片集成运算放大器μA702。它把电路中所有的晶体管电阻和元件之间的连接线一起放在一个小硅片上，它由“部件”它变成了一个小设备，人们可以直接把它当作通用设备来使用。

运算放大器

集成运算放大器的四次迭代

第一代集成运算放大器以1965年问世的FC3为代表。其特点是采用微电流源共模负反馈和标准电源电压(士15V)在开环电压增益、输入电阻、失调电压、温度漂移共模输入电压范围等技术指标比一般的分立元件直接耦合放大器电路有所提高。

第二代集成运算放大器以19663356年问世的F007或5G24为代表。其特点是采用恒流源负载，进一步提高了开环差模电压增益;将放大级的数量从三个减少到两个使得防止自激更加容易一般来说，只需要外接一个30pF的电容(F007 已经预制在电路内部)电路中还有过载保护，防止集成运算放大器因过流而损坏。

第三代集成运算放大器以1972年问世的4E325为代表。它的特点是采用“超管”输入级被组成，并且在布局设计中考虑了热反馈的影响，因此开环电压增益、共模抑制比、失调电压、失调电流和温度漂移等技术指标得到了改善。

第四代集成运算放大器以1973年问世的HA2900 为代表。其特点是制造工艺已进入大规模集成阶段，场效应晶体管和双极晶体管在同一硅片上兼容，并采取调制解调等措施进一步降低失调电压和温度漂移，使其性能指标在一般情况下无需调零即可使用。

现在集成运算放大器的应用已经大大扩展，可以用于不同频段的放大器、振荡器、有源滤波器、模/数转换电路、在高精度测量电路和电源模块等许多场合。

命名

集成运算放大器电路的符号如图所示。它有两个输入端和一个输出端，其中标尺“+”或“所述同相输入的结束，标准“或“的引脚代表反相输入引脚。输出端标有加号，这意味着输出信号的极性与从同相端输入的信号的极性相同，但与从反相端输入的信号的极性相反。

集成运算放大器的等效电路如图所示，其中 代表运算放大器的差模输入电阻和运算放大器的输出电阻。

集成运算放大器通常具有双列直插式形状、扁平式和圆形简易式等，集成运算放大器的内部电路一般由输入级组成、中间级和输出级，级间直接耦合。

集成运算放大器的输入级是一个关键部分，它需要很高的输入电阻、降低零漂、抑制干扰。通常由半导体三极管制成、结型场效应晶体管或绝缘栅场效应晶体管与恒流源构成差分放大电路，提高了输入阻抗，减小了零点漂移，增强了共模抑制。输入级通常工作在低电流状态，以获得高输入阻抗。

中间级主要用于电压放大，以实现总增益。获得运算放大器的总增益通常需要尽可能提高电压放大系数，并提供大的输出电流。为此通常采用一级或多级恒流源负载的共发射极电路，可以达到极高的增益，有时可达几千倍。

输出级要求低输出电阻、强负载能力、大电压大电流输出，过载保护。射极跟随器或互补射极跟随器通常用于实现低输出阻抗，增强负载驱动能力，扩大电流动态范围。偏置电路提供稳定的偏置电流，确定工作点，并提高电压增益。恒流源的各种组合通常用在各级电路中。

理想情况下，运算放大器的增益是无穷大，但实际上，在开环模式下，增益只有200，000左右。在开环模式下， 的输出和输入之间没有反馈，电压增益最大。在实际电路中，如果两个输入端之间存在很小的电位差，输出电压会趋于最大电源电平。由于运算放大器的内部压降，最大输出电压仅为电源电压的90%左右。这样的输出被认为是饱和的，并且可以用来指示输出的两个极性。开环模式主要用于电压比较器和电平检测电路。运算放大器的通用性在于它可以在闭环模式下应用于多种类型的电路。外部元件用于将输出电压的一部分反馈到反相输入端。这种反馈可以稳定大多数电路并降低噪声水平。电压增益将小于开环模式下的最大增益。

在实际电路中，闭环增益必须控制在一定值。一个电阻串联在反相输入端（如图3），你可以控制运算放大器的增益。电路中的电压增益由和的比值决定，表示为：公式中，负号仅表示运算放大器电路反向输入连接，不影响计算。例如，如果=10kΩ、=100kΩ，则=10。即若有0.01V的输入电压将产生0.1V的输出电压。如果=1kΩ，则增加到100。此时，0.01V的输入电压产生1V的输出电压。

如果和的值相同，或称为单位增益。单位增益也可以通过直接将输出端与输入端相连来获得，如图4所示。在这种同相输入连接中，输出电压等于输入电压，并且。

输入失调电压（Vos）

指为了使运算放大器的输出电压为零，必须施加在两个输入端之间的DC电压。

开环电压增益(Ad)

80 ~ 1403356 decibels（在标称电源电压和25℃的温度下，当运算放大器的静态输出电压为零时，输入偏置电流流动(或流出)BJT的平均电流(双极型三极管) 10 ~ 100mA, field effect transistor(场效应管)1～10 帕。

输入失调电流(Ios)

衡量集成运算放大器两个偏置电流之间不对称性的指标，一般定义为输入信号为零时，运算放大器在标称电源电压和室温下两个输入端的偏置电流之差。

最大输出电压(Uom)

最大输出电压又称输出电压摆幅，定义为运算放大器在额定电源电压和额定负载下，无明显失真时所获得的最大峰值输出电压，一般比电源电压低 2~4 V(输出管饱和电压)

增益带宽积(GBW)

增益带宽积定义为低频或差分电增益与带宽的乘积，单位为Hz。对于单极放大器的频率特性，其 GBW 是常数。在实际使用中，集成“运放”几乎总是在闭环中工作。

共模抑制比(KCMR)

该指示器的大小表示集成“运放”对共模信号(它通常是一个干扰信号)的抑制能力。定义为开环差模增益与开环共模增益之比，工程上常用分贝表示。共模抑制比指标在微弱信号放大中非常重要，因为在很多实际场合都存在共模干扰信号。比如信号源是有源桥式电路的输出，或者信号源通过长电缆连接到放大器的输入端，都可能造成放大器的接地端和信号源的接地端电位不同，从而造成共模干扰。

摆速(SR)

根据定义，摆率(转换速率)是表示“运放”最大允许输出电压 V与时间变化率的关系。摆幅速度描述了运算放大器对内部电容或负载电容充放电的能力。定义为:当阶跃电压施加到输入端时，差分级在一侧被切断、一侧导电时输出电压的变化率。

最大差模输入电压(Vidm)和最大共模输入电压(Vicm)

在实际工作中，整合“运放” 的最大差模输入电压受输入级发射极结反向击穿电压的限制，任何情况下都不能超过该值，否则会损坏器件。当输入端的最大共模电压超过 时，放大器将无法正常工作。运算放大器的优缺点

真空管运算放大器

优点：输入阻抗高、输出功率大、没有带宽限制。

缺点：消耗热量多、真空管寿命有限、真空管不稳定、怕震动。

晶体管运算放大器

优点：消耗热量小、寿命长、可靠度高、不怕震动。

缺点：输入阻抗低、输出功率小、频带宽度小。

按工作原理分类

真空管运算放大器、晶体管运算放大器。

按其用途分类

晶体管运算放大器根据用途分为通用型和专用型。

通用晶体管运算放大器：通用晶体管运算放大器参数均衡全面，适合一般工程设计。一般认为，工作时没有特殊参数要求的集成运算放大器可以归为通用型。通用型因为应用范围广，产量大，所以价格便宜。作为一般应用，应首先选择一般类型。

特种晶体管运算放大器：这类晶体管运算放大器是为满足某些特殊要求而设计的，其一个或多个参数往往非常突出，因此可分为:低功耗或微功耗集成运算放大器、高速集成运算放大器、宽带集成运算放大器（一般增益带宽乘积应大于10 MHz）高精度集成运算放大器（特点是高增益、高共模抑制比、低偏流、低温漂、低噪声等）高压集成运算放大器（正常输出电压u大于22 伏）功率集成运算放大器、高输入阻抗集成运算放大器、电流模式集成运算放大器、跨导集成运算放大器、可编程集成运算放大器、低噪声集成运算放大器、集成电压跟随器、集成电压跟随器。