什么是集成運(yùn)算放大器？ 如何正確使用？

集成運(yùn)算放大器(Integrated Operational Amplifier)簡(jiǎn)稱集成運(yùn)放，是由多級(jí)直接耦合放大電路組成的高增益模擬集成電路。

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。

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 [1] 。

集成運(yùn)算放大器是一種具有高電壓放大倍數(shù)的直接耦合放大器，主要由輸入、中間、輸出三部分組成。輸入部分是差動(dòng)放大電路，有同相和反相兩個(gè)輸入端;前者的電壓變化和輸出端的電壓變化方向一致，后者則相反。中間部分提供高電壓放大倍數(shù)，經(jīng)輸出部分傳到負(fù)載。它的引出端子和功能如圖所示。其中調(diào)零端外接電位器，用來(lái)調(diào)節(jié)使輸入端對(duì)地電壓為零(或某一預(yù)定值)時(shí)，輸出端對(duì)地電壓也為零(或另一個(gè)預(yù)定值)。補(bǔ)償端外接電容器或阻容電路，以防止工作時(shí)產(chǎn)生自激振蕩(有些集成運(yùn)算放大器不需要調(diào)零或補(bǔ)償)。供電電源通常接成對(duì)地為正或?qū)Φ貫樨?fù)的形式，而以地作為輸入、輸出和電源的公共端。

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] 。

按照集成運(yùn)算放大器的參數(shù)分類

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。

按外型的封裝樣式分類

扁平式(即SSOP)

封裝的芯片引腳之間距離很小，管腳很細(xì)，一般大規(guī)?；虺笮图呻娐范疾捎眠@種封裝形式，其引腳數(shù)一般在100個(gè)以上。用這種形式封裝的芯片必須采用SMD(表面安裝設(shè)備技術(shù))將芯片與主板焊接起來(lái)。采用S MD安裝的芯片不必在主板上打孔，一般在主板表面上有設(shè)計(jì)好的相應(yīng)管腳的焊點(diǎn)。將芯片各腳對(duì)準(zhǔn)相應(yīng)的焊點(diǎn)，即可實(shí)現(xiàn)與主板的焊接。用這種方法焊上去的芯片，如果不用專用工具是很難拆卸下來(lái)的。

PFP(Plastic Flat Package)方式封裝的芯片與QFP方式基本相同。唯一的區(qū)別是QFP一般為正方形，而PFP既可以是正方形，也可以是長(zhǎng)方形。

扁平式

單列直插式(即SIP)

最適合焊接，DIY友的最愛(ài)，因?yàn)檫@種封裝的管腳很長(zhǎng)，很適合DIY焊接，且比較堅(jiān)固，不易損壞。

單列直插式

雙列直插式(即DIP)

應(yīng)用最廣泛、最多的封裝形式。

絕大多數(shù)中小規(guī)模集成電路(IC)均采用這種封裝形式，其引腳數(shù)一般不超過(guò)100個(gè)。采用DIP封裝的CPU芯片有兩排引腳，需要插入到具有DIP結(jié)構(gòu)的芯片插座上。當(dāng)然，也可以直接插在有相同焊孔數(shù)和幾何排列的電路板上進(jìn)行焊接。DIP封裝的芯片在從芯片插座上插拔時(shí)應(yīng)特別小心，以免損壞引腳。

使用DIP外型的以下好處：

1、適合在PCB(印刷電路板)上穿孔焊接，操作方便。

2、芯片面積與封裝面積之間的比值較大，故體積也較大。

Intel系列CPU中8088就采用這種封裝形式，緩存(Cache)和早期的內(nèi)存芯片也是這種封裝形式 [3] 。

雙列直插式

1、集成運(yùn)放的電源供給方式

集成運(yùn)放有兩個(gè)電源接線端+VCC和-VEE，但有不同的電源供給方式。對(duì)于不同的電源供給方式，對(duì)輸入信號(hào)的要求是不同的。

(1)對(duì)稱雙電源供電方式

運(yùn)算放大器多采用這種方式供電。相對(duì)于公共端(地)的正電源(+E)與負(fù)電源(-E)分別接于運(yùn)放的+VCC和-VEE管腳上。在這種方式下，可把信號(hào)源直接接到運(yùn)放的輸入腳上，而輸出電壓的振幅可達(dá)正負(fù)對(duì)稱電源電壓。

(2)單電源供電方式

單電源供電是將運(yùn)放的-VEE管腳連接到地上。此時(shí)為了保證運(yùn)放內(nèi)部單元電路具有合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，在運(yùn)放輸入端一定要加入一直流電位。此時(shí)運(yùn)放的輸出是在某一直流電位基礎(chǔ)上隨輸入信號(hào)變化。對(duì)于交流放大器，靜態(tài)時(shí)，運(yùn)算放大器的輸出電壓近似為VCC/2，為了隔離掉輸出中的直流成分接入電容C3。

2、集成運(yùn)放的調(diào)零問(wèn)題

由于集成運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流的影響，當(dāng)運(yùn)算放大器組成的線性電路輸入信號(hào)為零時(shí)，輸出往往不等于零。為了提高電路的運(yùn)算精度，要求對(duì)失調(diào)電壓和失調(diào)電流造成的誤差進(jìn)行補(bǔ)償，這就是運(yùn)算放大器的調(diào)零。常用的調(diào)零方法有內(nèi)部調(diào)零和外部調(diào)零，而對(duì)于沒(méi)有內(nèi)部調(diào)零端子的集成運(yùn)放，要采用外部調(diào)零方法。

應(yīng)從實(shí)際需要出發(fā)，不要盲目追求指標(biāo)的先進(jìn)性。

1、如無(wú)特殊要求，盡量選通用型和多運(yùn)放;

2、要注意手冊(cè)中給出的參數(shù)是在某一個(gè)特定條件下得出的，如條件改變，有些參數(shù)也要隨著改變;

3、在實(shí)驗(yàn)階段和工作環(huán)境復(fù)雜的場(chǎng)合，盡量選帶有過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)熱保護(hù)的型號(hào)