什么是集成運(yùn)算放大器？分類(lèi)及其應(yīng)用電路詳解

自從1964年美國(guó)仙童公司研制出第一個(gè)單片集成運(yùn)算放大器μA702以來(lái)，集成運(yùn)算放大器得到了廣泛的應(yīng)用，它已成為線性集成電路中品種和數(shù)量最多的一類(lèi)。國(guó)標(biāo)統(tǒng)一命名法規(guī)定，集成運(yùn)算放大器各個(gè)品種的型號(hào)有字母和阿拉伯?dāng)?shù)字兩大部分組成。

字母在首部，統(tǒng)一采用CF兩個(gè)字母，C表示國(guó)標(biāo)，F(xiàn)表示線性放大器，其后的數(shù)字表示集成運(yùn)算放大器的類(lèi)型。

它的增益高(可達(dá)60~180dB)，輸入電阻大(幾十千歐至百萬(wàn)兆歐)，輸出電阻低(幾十歐)，共模抑制比高(60~170dB)，失調(diào)與飄移小，而且還具有輸入電壓為零時(shí)輸出電壓亦為零的特點(diǎn)，適用于正，負(fù)兩種極性信號(hào)的輸入和輸出。模擬集成電路一般是由一塊厚約0.2~0.25mm的P型硅片制成，這種硅片是集成電路的基片。

基片上可以做出包含有數(shù)十個(gè)或更多的BJT或FET、電阻和連接導(dǎo)線的電路。運(yùn)算放大器除具有+、-輸入端和輸出端外，還有+、-電源供電端、外接補(bǔ)償電路端、調(diào)零端、相位補(bǔ)償端、公共接地端及其他附加端等。它的閉環(huán)放大倍數(shù)取決于外接反饋電阻，這給使用帶來(lái)很大方便

]集成運(yùn)算放大電路是一種直接耦合的多級(jí)放大電路，它是利用半導(dǎo)體的集成工藝，實(shí)現(xiàn)電路、電路系統(tǒng)和元件三結(jié)合的產(chǎn)物。由于采用集成工藝，可以使相鄰元器件參數(shù)的一致性好，且采用多晶體管的復(fù)雜電路，使之性能做得十分優(yōu)越。集成運(yùn)算放大器的型號(hào)各異，但用得最為普遍的是通用型集成運(yùn)放，其內(nèi)部電路一般為差分輸入級(jí)、中間級(jí)和互補(bǔ)輸出級(jí)，并帶有各種各樣的電流源電路。

耦合方式

任何一個(gè)電路系統(tǒng)都是由若干個(gè)單管放大電路串接而成的多級(jí)放大電路組成，這樣才能滿足電路系統(tǒng)一放大能力、輸入電阻、輸出電阻的要求。組成多級(jí)放大電路的每一個(gè)單管放大電路稱為一級(jí)，級(jí)與級(jí)之間的連接方式稱為級(jí)間耦合方式，多級(jí)放大電路常見(jiàn)的耦合方式有：阻容耦合、直接耦合、變壓器耦合和光電耦合。

基本組成部分通常包含四個(gè)基本組成部分，即輸入級(jí)、中間級(jí)、輸出級(jí)和偏置電路。

參數(shù)表征集成運(yùn)算放大器性能的參數(shù)有30多個(gè)，常用的有以下10種。1、開(kāi)環(huán)差模電壓放大倍數(shù)：簡(jiǎn)稱開(kāi)環(huán)增益，表示運(yùn)算放大器本身的放大能力。一般為50 000～200 000倍。2、輸入失調(diào)電壓：表示靜態(tài)時(shí)輸出端電壓偏離預(yù)定值的程度。一般為2～10mV(折合到輸入端)。3、單位增益帶寬：表示差模電壓放大倍數(shù)下降到1時(shí)的頻率。一般在1MHz左右。4、轉(zhuǎn)換速率(又稱壓擺率)：表示運(yùn)算放大器對(duì)突變信號(hào)的適應(yīng)能力。一般在0.5V/μs左右。5、輸出電壓和電流：表示運(yùn)放的輸出能力。一般輸出電壓峰值至峰值要比電源電壓低1～3V，短路電流在25mA左右。6、靜態(tài)功耗：表示無(wú)信號(hào)條件下運(yùn)放的耗電程度。當(dāng)電源電壓為±15V時(shí)，靜態(tài)功耗雙極型晶體管一般為50～100mW，場(chǎng)效應(yīng)管一般為1mW。7、輸入失調(diào)電壓溫度系數(shù)：表示溫度變化對(duì)失調(diào)電壓的影響。一般為3～5μV/℃(折合到輸入端)。8、輸入偏置電流：表示輸入端向外界索取電流的程度。雙極型晶體管一般為80～500nA，場(chǎng)效應(yīng)管一般為1nA。9、輸入失調(diào)電流：表示流經(jīng)兩個(gè)輸入端電流的差別。雙極型晶體管一般為20～200nA，場(chǎng)效應(yīng)管一般小于1nA。10、共模抑制比：表示運(yùn)放對(duì)差模信號(hào)的放大倍數(shù)和對(duì)共模信號(hào)放大倍數(shù)之比。一般為70～90dB [2] 。

分類(lèi)

按照集成運(yùn)算放大器的參數(shù)分類(lèi)

1、通用型運(yùn)算放大器通用型運(yùn)算放大器就是以通用為目的而設(shè)計(jì)的。這類(lèi)器件的主要特點(diǎn)是價(jià)格低廉、產(chǎn)品量大面廣，其性能指標(biāo)能適合于一般性使用。例mA741(單運(yùn)放)、LM358(雙運(yùn)放)、LM324(四運(yùn)放)及以場(chǎng)效應(yīng)管為輸入級(jí)的LF356 都屬于此種。它們是應(yīng)用最為廣泛的集成運(yùn)算放大器。

2、高阻型運(yùn)算放大器這類(lèi)集成運(yùn)算放大器的特點(diǎn)是差模輸入阻抗非常高，輸入偏置電流非常小，一般rid>(109~1012)W，IIB 為幾皮安到幾十皮安。實(shí)現(xiàn)這些指標(biāo)的主要措施是利用場(chǎng)效應(yīng)管高輸入阻抗的特點(diǎn)，用場(chǎng)效應(yīng)管組成運(yùn)算放大器的差分輸入級(jí)。用FET 作輸入級(jí)，不僅輸入阻抗高，輸入偏置電流低，而且具有高速、寬帶和低噪聲等優(yōu)點(diǎn)，但輸入失調(diào)電壓較大。常見(jiàn)的集成器件有LF356、LF355、LF347(四運(yùn)放)及更高輸入阻抗的CA3130、CA3140等。

3、低溫漂型運(yùn)算放大器在精密儀器、弱信號(hào)檢測(cè)等自動(dòng)控制儀表中，總是希望運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓要小且不隨溫度的變化而變化。低溫漂型運(yùn)算放大器就是為此而設(shè)計(jì)的。常用的高精度、低溫漂運(yùn)算放大器有OP-07、OP-27、AD508及由MOSFET 組成的斬波穩(wěn)零型低漂移器件ICL7650 等。

4、高速型運(yùn)算放大器在快速A/D 和D/A 轉(zhuǎn)換器、視頻放大器中，要求集成運(yùn)算放大器的轉(zhuǎn)換速率SR 一定要高，單位增益帶寬BWG一定要足夠大，像通用型集成運(yùn)放是不能適合于高速應(yīng)用的場(chǎng)合的。高速型運(yùn)算放大器主要特點(diǎn)是具有高的轉(zhuǎn)換速率和寬的頻率響應(yīng)。常見(jiàn)的運(yùn)放有LM318、mA715 等，其SR=50~70V/ms，BWG>20MHz。

5、低功耗型運(yùn)算放大器由于電子電路集成化的最大優(yōu)點(diǎn)是能使復(fù)雜電路小型輕便，所以隨著便攜式儀器應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，必須使用低電源電壓供電、低功率消耗的運(yùn)算放大器相適用。常用的運(yùn)算放大器有TL-022C、TL-060C 等，其工作電壓為±2V~±18V，消耗電流為50~250mA。有的功耗已達(dá)微瓦級(jí)，例如ICL7600 的供電電源為1.5V，功耗為10mW，可采用單節(jié)電池供電。

6、高壓大功率型運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器的輸出電壓主要受供電電源的限制。在普通的運(yùn)算放大器中，輸出電壓的最大值一般僅幾十伏，輸出電流僅幾十毫安。若要提高輸出電壓或增大輸出電流，集成運(yùn)放外部必須要加輔助電路。高壓大電流集成運(yùn)算放大器外部不需附加任何電路，即可輸出高電壓和大電流。例如D41集成運(yùn)放的電源電壓可達(dá)±150V，uA791集成運(yùn)放的輸出電流可達(dá)1A。

集成運(yùn)放

集成運(yùn)算放大器

指標(biāo)

開(kāi)環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aod：Aod=Uo/Uid，即輸出/輸入。一般越大越好，理想情況Aod=∞

最大輸出電壓Uop-p：最大不失真輸出電壓的峰–峰值

差模輸入電阻rid：差模輸入電阻越大越好，理想情況rid=∞，此時(shí)才能把全部電壓加在輸入電阻兩端進(jìn)行放大

輸出電阻ro：輸出電阻越小越好，理想情況ro=0，此時(shí)才能把放大后的全部電壓加載負(fù)載電阻兩端

兩個(gè)重要結(jié)論

因?yàn)锳od=∞，所以通常加上反饋電阻

虛短：反相輸入端與同相輸入端近似等電位，即U+=U-

虛斷：因?yàn)閞id=∞，輸入電流為零，即i=0

集成運(yùn)放構(gòu)成的三種電路

反相比例運(yùn)算電路

同向比例運(yùn)算電路

差動(dòng)比例運(yùn)算電路

電壓跟隨器：同相比例運(yùn)算放大器的特例。電壓串聯(lián)負(fù)反饋，輸入電阻大，輸出電阻小，但是電壓跟隨性能好。

了解集成運(yùn)算放大器的一般概況;掌握集成運(yùn)算放大器在線性和非線性應(yīng)用方面的基本電路工作原理及分析方法;了解正弦波振蕩器的電路特點(diǎn)、其振條件、起振過(guò)程及穩(wěn)幅等概念。

1.　集成運(yùn)算放大器簡(jiǎn)介，要求達(dá)到“領(lǐng)會(huì)”層次。

2.　集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用電路，要求達(dá)到“綜合應(yīng)用”層次。

3.　集成運(yùn)算放大器的非線性應(yīng)用，要求達(dá)到“簡(jiǎn)單應(yīng)用”層次。

4.　正弦波振蕩器電路，要求達(dá)到“領(lǐng)會(huì)”層次。

重點(diǎn)：線性應(yīng)用中各種基本運(yùn)算電路的分析、非線性應(yīng)用中電壓比較器的分析。

難點(diǎn)：電壓比較器和正弦波振蕩電路。

1. 集成運(yùn)放的電路構(gòu)成及特點(diǎn)

集成運(yùn)算放大器是一個(gè)高增益直接耦合放大電路，它的方框圖如圖1所示。

(1)輸入級(jí) 使用高性能的差分放大電路，必須對(duì)共模信號(hào)有很強(qiáng)的抑制力，采用雙端輸入、雙端輸出的形式。

(2)中間放大級(jí) 提供高開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)，以保證運(yùn)放的運(yùn)算精度。一般由共發(fā)射極組成多級(jí)耦合放大電路。

(3)輸出級(jí) 由PNP和NPN兩種極性的三極管或復(fù)合管組成，提供大的輸出電壓或電流。

(4)偏置電流源 提供穩(wěn)定的偏置電流，以穩(wěn)定工作點(diǎn)。一般由各種恒流源電路組成。

2. 運(yùn)算放大器的主要技術(shù)指標(biāo)

(1)輸入失調(diào)電壓Uio ：輸入電壓為零時(shí)，將輸出電壓除以電壓增益，即為折算到輸入端的失調(diào)電壓。Uio是表征運(yùn)放內(nèi)部電路對(duì)稱性的指標(biāo)。

(2)輸入失調(diào)電流Iio：在輸入信號(hào)為零時(shí)，放大器兩個(gè)輸入端的靜態(tài)基極電流差，用于表征差分級(jí)輸入電流不對(duì)稱的程度。

(3)輸入偏置電流IiB：運(yùn)放兩個(gè)輸入端靜態(tài)偏置電流的平均值，即

(4)開(kāi)環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Au0 ：運(yùn)放在無(wú)外加反饋條件下，輸出電壓與輸入電壓的變化量之比。即 。

(5)最大輸出電壓 Uopp：輸出不失真時(shí)的最大輸出電壓值。

(6)最大共模輸入電壓UiCM ：在保證運(yùn)放正常工作條件下，共模輸入電壓的允許范圍。共模電壓超過(guò)此值時(shí)，輸入差分對(duì)管出現(xiàn)飽和，放大器失去共模抑制能力。

(7)共模抑制比KCMR ：差模電壓放大倍數(shù)與開(kāi)環(huán)共模電壓放大倍數(shù)絕對(duì)值之比，常用分貝數(shù)來(lái)表示。

3. 理想集成運(yùn)放極其分析特點(diǎn)

(1) 集成運(yùn)放理想化條件

滿足下列參數(shù)指標(biāo)的運(yùn)算放大器可以視為理想運(yùn)算放大器。

① 開(kāi)環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Au0=∞，實(shí)際上Au0≥80dB即可。

② . 差模輸入電阻rid=∞，實(shí)際上rid比輸入端外電路的電阻大2～3個(gè)量級(jí)即可。

③ 開(kāi)環(huán)輸出電阻ro=0，實(shí)際上ro比輸入端外電路的電阻小2～3個(gè)量級(jí)即可。

④ 共模抑制比Kcm=∞ 。

理想運(yùn)放在電路中的圖形符號(hào)如圖2所示。同相輸入端(該端輸入信號(hào)變化的極性與輸出端相同)u+(或up);反相輸入端(該端輸入信號(hào)變化的極性與輸出端相異)u-( 或uN) 表示。在圖符中的輸入端分別用符號(hào)"+"和"-"標(biāo)明。輸出端uo。

圖 2 集成運(yùn)放的符號(hào)

(2) 理想運(yùn)放工作在線性區(qū)的特點(diǎn)

為了保證線性運(yùn)用，運(yùn)算放大器必須在閉環(huán)下工作。

●　虛地

“虛地”是指在分析運(yùn)算放大器處于線性狀態(tài)時(shí)，工作在反相輸入狀態(tài)下，反相輸入端的電位為零，這一特性稱為虛假接地，簡(jiǎn)稱虛地。

●　虛短

“虛短”是指在分析運(yùn)算放大器處于線性狀態(tài)時(shí)，可把兩輸入端視為等電位，這一特性稱為虛假短路，簡(jiǎn)稱虛短。但不能將兩輸入端真正短路。

●　虛斷

"虛斷"是指在分析運(yùn)放處于線性狀態(tài)時(shí)，可以把兩輸入端視為等效開(kāi)路，這一特性稱為虛假開(kāi)路，簡(jiǎn)稱虛斷。顯然不能將兩輸入端真正斷路。