運(yùn)算放大器（operational amplifier）是一種高放大倍數(shù)的直接耦合放大器，是用途極為廣泛的模擬電子集成電路產(chǎn)品，因它曾在模擬電子計算機(jī)中作為各種數(shù)學(xué)運(yùn)算器而得名。
運(yùn)算放大器起源于蒸汽機(jī)時代，離心調(diào)速器的負(fù)反饋原理為其奠定基礎(chǔ)。在20世紀(jì)20年代末和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。這一重要的發(fā)明直接導(dǎo)致了電子管運(yùn)算放大器的首次出現(xiàn)，這種設(shè)備在20世紀(jì)40年代初問世。1964 年FSC公司研制出第一塊集成運(yùn)算放大器μA702，集成運(yùn)放從1964年誕生以來，經(jīng)歷了4次重要的迭代，如今集成運(yùn)放的應(yīng)用已經(jīng)大大擴(kuò)展，可用于各種不同頻帶的放大器、振蕩器、有源濾波器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路、高精度測量電路以及電源模塊等許多場合。
運(yùn)算放大器有多種外形，內(nèi)部電路分為輸入級、中間級和輸出級，它們直接耦合。運(yùn)算放大器可以由分立的器件實(shí)現(xiàn)，也可以實(shí)現(xiàn)在半導(dǎo)體芯片當(dāng)中。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，大部分的運(yùn)放是以單芯片的形式存在。偏置電路提供穩(wěn)定的偏置電流和增加電壓增益。運(yùn)算放大器按工作原理分類可以分為電子管運(yùn)算放大器、晶體管運(yùn)算放大器。按其用途分為通用型及專用型兩大類。它被廣泛用于集成電路、視頻監(jiān)控、以及開關(guān)電源電路等各個領(lǐng)域。
發(fā)展歷程
背景
運(yùn)算放大器的歷史可以追溯到瓦特的蒸汽機(jī)時代。瓦特在改進(jìn)紐科門蒸汽機(jī)時，關(guān)鍵的突破是離心調(diào)速器的發(fā)明。離心調(diào)速器首次應(yīng)用了負(fù)反饋原理，實(shí)現(xiàn)了對蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速的自動調(diào)節(jié)，而反饋控制思想不僅成為自動控制的核心，也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)使得微弱信號的放大成為可能，這技術(shù)很快用于電話信號傳輸，但面臨著放大器增益不穩(wěn)定的問題。哈羅德·布萊克借鑒離心調(diào)速器的原理，發(fā)明了負(fù)反饋放大器，從而解決了這個問題。反饋放大器就是利用一個增益遠(yuǎn)大于實(shí)際使用增益的放大器，把一部分放大器的輸出信號反饋到輸入端，以反饋的信號抑制輸入信號。電路的增益由無緣反饋器來控制，與放大器無關(guān)。這就是負(fù)反饋放大器的基本原理，至今仍然是運(yùn)算放大器的核心原理。
首款運(yùn)算放大器誕生
正如前文所說，在20世紀(jì)20年代末和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。這一重要的發(fā)明直接導(dǎo)致了電子管運(yùn)算放大器的首次出現(xiàn)，這種設(shè)備在20世紀(jì)40年代初問世，并一直使用到第二次世界大戰(zhàn)。第二次世界大戰(zhàn)后，真空管運(yùn)算放大器經(jīng)過改進(jìn)和完善，但它們?nèi)匀惑w積龐大、耗電量高。
真空管運(yùn)算放大器具有龐大體積和高功耗，例如M9型真空管運(yùn)算放大器的6L6管總功耗約25W，包括陽極和燈絲功耗。其他真空管的損耗也很高，導(dǎo)致整個放大器的最低功耗達(dá)到20W。而與之相比，現(xiàn)代集成運(yùn)算放大器通常只需數(shù)百毫瓦功耗，差距巨大。此外，真空管運(yùn)算放大器需要大量的輔助設(shè)備，如燈絲變壓器、高壓變壓器、整流濾波電路以及交流穩(wěn)壓電源，使整個系統(tǒng)變得笨重而復(fù)雜。到 50 年代，晶體管運(yùn)算放大器制成，不僅縮小了體積，而且降低了功耗和電源電壓，形成了比較理想的部件，其功能也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了模擬運(yùn)算的范圍，被廣泛地應(yīng)用于各種電子技術(shù)領(lǐng)域中。
集成運(yùn)放替代真空運(yùn)放
1964 年FSC公司研制出第一塊集成運(yùn)算放大器μA702，世界上第一塊單片集成運(yùn)算放大器。它把電路中所有的晶體管和電阻以及元件之間的連線一并制作在一小塊晶圓上，使之由“部件”變成了一個小器件，人們可以直接把它作為一種通用性器件靈活使用。
集成運(yùn)放的四次迭代
第一代集成運(yùn)放以1965年問世的FC3為代表。它的特點(diǎn)是采用了微電流源，共模負(fù)反饋和標(biāo)準(zhǔn)的電源電壓(士15V)在開環(huán)電壓增益、輸入電阻、失調(diào)電壓、溫漂和共模輸入電壓范圍等技術(shù)指標(biāo)方面，都比一般的分立元件直接耦合放大電路有所改善。
第二代集成運(yùn)放以1966 年問世的F007或5G24為代表。它的特點(diǎn)是采用了恒流源負(fù)載，進(jìn)一步提高了開環(huán)差模電壓增益;把放大級數(shù)由三級減為兩級，使防止自激的工作比較簡單，一般只要外接30pF的電容器(F007 已在電路內(nèi)部預(yù)制)。在電路中還有過載保護(hù)，以防止集成運(yùn)放因過流而損壞。
第三代集成運(yùn)放以1972年問世的4E325為代表。它的特點(diǎn)是采用“超管”組成輸入級，并且在版圖設(shè)計中考慮了熱反饋的效應(yīng)，因此在開環(huán)電壓增益、共模抑制比、失調(diào)電壓、失調(diào)電流和溫漂等方面的技術(shù)指標(biāo)又都有所改善。
第四代集成運(yùn)放以1973年問世的HA2900 為代表。它的特點(diǎn)是制造工藝進(jìn)入了大規(guī)模集成的階段，將場效應(yīng)管和雙極型管兼容在同一塊硅片上，并且還采取調(diào)制和解調(diào)等措施，使失調(diào)電壓和溫漂進(jìn)一步下降，在一般情況下不需要調(diào)零即可使用其性能指標(biāo)。
現(xiàn)在，集成運(yùn)放的應(yīng)用已經(jīng)大大擴(kuò)展，可用于各種不同頻帶的放大器、振蕩器、有源濾波器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路、高精度測量電路中以及電源模塊等許多場合。
基礎(chǔ)知識
命名方法
中國半導(dǎo)體集成電路的型號命名按照GB 3430——82，應(yīng)由五部分組成：如CF0741CT，其各符號含義如圖所示。
符號和等效電路
集成運(yùn)放電路符號如圖所示。它有兩個輸入端和一個輸出端，其中標(biāo)“+”或“”的端表示同相輸入端，標(biāo)“_”或“”的端表示反相輸入端。輸出端處標(biāo)有正號，表示輸出信號與從同相端輸入的信號的極性相同，與從反相端輸入的信號的極性相反。
集成運(yùn)放的等效電路如圖所示，其中 表示運(yùn)放的差模輸入電阻，表示運(yùn)放的輸出電阻。
組成結(jié)構(gòu)
集成運(yùn)算放大器的外形通常有雙列直插式、扁平式及圓簡式等多種，集成運(yùn)算放大器內(nèi)部電路一般由輸入級、中間級和輸出級組成，級間直接耦合。集成運(yùn)算放大器等部件如圖所示。
集成運(yùn)放的輸入級是關(guān)鍵部分，要求高輸入電阻、降低零漂、抑制干擾。通常由三極管、結(jié)型場效應(yīng)管或絕緣柵型場效應(yīng)管構(gòu)成差動放大電路，帶恒流源，提高輸入阻抗，降低零漂，增強(qiáng)共模抑制等性能。輸入級通常在低電流狀態(tài)工作以獲得高輸入阻抗。
中間級主要用于電壓放大，以實(shí)現(xiàn)總增益。獲得運(yùn)放的總增益通常要求盡量提高電壓放大倍數(shù)，并提供大的輸出電流。為此，通常采用一級或多級的共發(fā)射極電路，帶有恒流源負(fù)載，可以實(shí)現(xiàn)極高的增益，有時可達(dá)幾千倍以上。
輸出級需要低輸出電阻、強(qiáng)負(fù)載能力、大電壓和電流輸出，并具備過載保護(hù)。通常采用射極跟隨器或互補(bǔ)射極跟隨器來實(shí)現(xiàn)低輸出阻抗，增強(qiáng)負(fù)載驅(qū)動能力和擴(kuò)展電流動態(tài)范圍。
偏置電路提供穩(wěn)定偏置電流，決定工作點(diǎn)，同時可提高電壓增益。各級電路通常使用各種恒流源組合。
工作原理
在理想情況下，運(yùn)算放大器的增益為無窮大，但實(shí)際上在開環(huán)模式中，增益僅約超過200,000。開環(huán)模式中， 輸出與輸入間沒有反饋，電壓增益（）最大。如圖1所示，在實(shí)際電路中，兩個輸入端間有很微小的電壓，就會使輸出電壓趨向最大電源電平。由于運(yùn)算放大器的內(nèi)部電壓降，輸出的最大電壓只有電源電壓的90%左右。這樣的輸出便稱為是飽和了，并可用 和表示輸出的兩個極性。開環(huán)模式主要用在電壓比較器和電平檢測電路中。運(yùn)算放大器的通用性表現(xiàn)在它能以閉環(huán)模式應(yīng)用到許多類型的電路中。如圖2所示，外接元件用來使一部分輸出電壓反饋給反向輸入端。這種反饋可使大多數(shù)電路穩(wěn)定并能降低噪聲電平。電壓增益（）將小于開環(huán)模式中的最大增益。
實(shí)際電路中，閉環(huán)增益必須控制在某個數(shù)值上。在反相輸入端串入一個電阻（如圖3），就能控制運(yùn)算放大器的增益。電路中的電壓增益由和的比值確定，并用公式表示為：，公式中用負(fù)號只表示運(yùn)算放大器電路是反向輸入接法而不影響計算。例如，若=10kΩ、=100kΩ，則=10。即若有0.01V的輸入電壓將會產(chǎn)生出0.1V的輸出電壓。如果=1kΩ，則增加到100。此時，0.01V的輸入電壓便產(chǎn)出1V的輸出電壓。
如果和的數(shù)值相同，則，或稱為單位增益。把輸出端與輸入端直接連起來也能得到單位增益，如圖4所示。在這種同相輸入接法中，輸出電壓等于輸入電壓且。
技術(shù)指標(biāo)
輸入失調(diào)電壓（Vos）
指為了使運(yùn)放的輸出電壓為零而必須在兩個輸入端之間施加的直流電壓。
開環(huán)電壓增益(Ad)
80~140 dB（）
輸入偏置電流在標(biāo)稱電源電壓及25℃溫度下，使運(yùn)算放大器靜態(tài)輸出電壓為零時，流入(或流出)的電流平均值，BJT(三極管)為 10~100mA，F(xiàn)ET(場效應(yīng)管)為1~10 pA。
輸入失調(diào)電流(Ios)
衡量集成運(yùn)算放大器兩個偏置電流不對稱程度的一個指標(biāo)一般定義為在標(biāo)稱電源電壓及室溫下，輸入信號為零時，運(yùn)算放大器兩輸入端偏置電流的差值。
最大輸出電壓(Uom)
最大輸出電壓又稱輸出電壓擺幅，定義為運(yùn)算放大器在額定電源電壓和額定負(fù)載下，不出現(xiàn)明顯失真時所得到的最大的峰值輸出電壓，一般比電源電壓低 2~4 V(輸出管飽和電壓)。
增益帶寬積(GBW)
增益帶寬積被定義為低頻或差分電增益與帶寬之積，以Hz為單位。對于一個單極點(diǎn)放大器的頻率特性而言，其 GBW 是一個常數(shù)。在實(shí)際使用時，集成“運(yùn)放”幾乎總是在閉環(huán)下工作。
共模抑制比(KCMR)
此指標(biāo)的大小表示了集成“運(yùn)放”對共模信號(通常是一種干擾信號)的抑制能力。定義為開環(huán)差模增益和開環(huán)共模增益之比，工程上常用分貝來表示。共模抑制比這一指標(biāo)在微弱信號放大場合非常重要，因?yàn)樵谠S多實(shí)際場合，存在著共模干擾信號。例如，信號源是有源的電橋電路的輸出，或者信號源通過較長的電纜連到放大器的輸入端，它們可能引起放大器接地端與信號源接地端的電勢不相同的情況，因而產(chǎn)生共模干擾。
擺速(SR)
根據(jù)定義，擺率(轉(zhuǎn)換速率)是表示“運(yùn)放”所允許的輸出電壓 V對時間變化率的最大值。擺率描述運(yùn)放對內(nèi)部電容或負(fù)載電容的充放電能力。它被定義為:當(dāng)輸入端加上階躍電壓使差分級處于一側(cè)截止、一側(cè)通導(dǎo)時的輸出電壓變化率。
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，集成“運(yùn)放”最大差模輸入電壓 受輸入級的發(fā)射結(jié)反向擊穿電壓限制，在任何情況下不能超過此值，否則就會損壞器件。而輸入端的最大共模電壓超過 時，放大器就不能正常工作。
其他技術(shù)指標(biāo)?
其他技術(shù)指標(biāo)表
運(yùn)算放大器的優(yōu)缺點(diǎn)
電子管運(yùn)算放大器
優(yōu)點(diǎn)：輸入阻抗高、輸出功率大、無帶寬之限制。
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。
晶體管運(yùn)算放大器
優(yōu)點(diǎn)：消耗熱量小、壽命長、可靠度高、不怕震動。
缺點(diǎn)：輸入阻抗低、輸出功率小、頻帶寬度小。
分類
按工作原理分類
真空管運(yùn)算放大器、晶體管運(yùn)算放大器。
按其用途分類
晶體管運(yùn)算放大器按其用途分為通用型及專用型兩大類。
通用型晶體管運(yùn)算放大器：通用型晶體管運(yùn)算放大器的參數(shù)指標(biāo)比較均衡全面，適用于一般的工程設(shè)計。一般認(rèn)為，在沒有特殊參數(shù)要求情況下工作的集成運(yùn)放可列為通用型。由于通用型應(yīng)用范圍寬產(chǎn)量大，因而價格便宜。作為一般應(yīng)用，首先考慮選擇通用型。
專用型晶體管運(yùn)算放大器：這類晶體管運(yùn)算放大器是為滿足某些特殊要求而設(shè)計的，其參數(shù)中往往有一項(xiàng)或幾項(xiàng)非常突出，因而可分為: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）、高電壓集成運(yùn)算放大器（正常輸出電壓U大于22 V）、功率型集成運(yùn)算放大器、高輸入阻抗集成運(yùn)算放大器、電流型集成運(yùn)算放大器、跨導(dǎo)型集成運(yùn)算放大器、程控型集成運(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。
按其供電電源分類
晶體管運(yùn)算放大器按其供電電源分類，可分為雙電源集成運(yùn)算放大器，單電源集成運(yùn)算放大器兩類。
雙電源集成運(yùn)算放大器：絕大部分運(yùn)算放大器在設(shè)計中都是正、負(fù)對稱的雙電源供電，其輸出可在零電壓兩側(cè)變化，在差動輸入電壓為零時輸出也可置零，以保證運(yùn)放的優(yōu)良性能。
單電源集成運(yùn)算放大器：這類運(yùn)放采用特殊設(shè)計，在單電源下能實(shí)現(xiàn)零輸入、零輸出，其輸出范圍在電源與地之間的某一范圍變化，交流放大時，失真較小。
按其制作工藝分類
晶體管運(yùn)算放大器按其制作工藝分類，可分為雙極型集成運(yùn)算放大器、單極型集成運(yùn)算放大器、雙極一單極兼容型集成運(yùn)算放大器三類。
雙極型集成運(yùn)算放大器：雙極型集成運(yùn)放 LM741是一種高增益通用型運(yùn)算放大器，應(yīng)用極為廣泛，其采用 DIP-8封裝。
單極型集成運(yùn)算放大器：單極型運(yùn)放輸入阻抗高、功耗小，可在低電源電壓下工作，初期產(chǎn)品精度低、增益小、速度慢，但目前已有低失調(diào)電壓、低噪聲、高速度、強(qiáng)驅(qū)動能力的產(chǎn)品，如 CL7650，OPA333，OPA2333。
雙極一單極兼容型集成運(yùn)算放大器：混合型運(yùn)放采用雙極型管與單極型管混合搭配的生產(chǎn)工藝，以場效應(yīng)管作輸入級，使輸入電阻器高達(dá) 1012以上如 CA314、TLO82。
按運(yùn)放級數(shù)分類
按單片封裝中的運(yùn)放級數(shù)分類，集成運(yùn)放可分為單運(yùn)放、雙運(yùn)放、 三運(yùn)放、四運(yùn)放四類。
單運(yùn)放：單運(yùn)放是高增益運(yùn)算放大器，用于軍事、工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用。
雙運(yùn)放：雙運(yùn)放就是在同一芯片上制作了兩個相同的運(yùn)放。這種高密度封裝不僅縮小體積，更重要的是在同芯片上同時制作而成，溫度變化一致，電路一致性好。
三運(yùn)放：它由兩級大器組成，第一級由集成運(yùn)放和電阻組成的同相輸入式并聯(lián)差分放大器，具有非常高的阻抗。第二級是由集成運(yùn)放和電阻組成的減法器，它將雙端輸入變?yōu)閱味溯斎耄赃m應(yīng)后級電路要求。
四運(yùn)放：它是通用型單片高增益運(yùn)算放大器既可以單電源使用，也可雙電源使用。
應(yīng)用領(lǐng)域
集成運(yùn)算放大器的典型應(yīng)用有比例運(yùn)算、加法運(yùn)算、減法運(yùn)算、積分運(yùn)算、導(dǎo)數(shù)運(yùn)算等。比例運(yùn)算可分為反向輸入和同相輸入兩種，輸入信號從反相輸入端引入的運(yùn)算便是反相運(yùn)算，同相輸入反之；如果在反相輸入端增加若干輸入電路，則構(gòu)成反相加法運(yùn)算電路；在反相比例運(yùn)算電路中，用電容 C代替 R作為反饋元件，此電路就成為積分運(yùn)算電路。
集成芯片
隨著現(xiàn)代電子顯示設(shè)備市場的日益發(fā)展，TFT-LCD 因其高分辨率、低功耗輕重量、長壽命等特點(diǎn)成為液晶乃至面板顯示技術(shù)的主流，并被廣泛應(yīng)用在大、中、小尺寸的主流電子產(chǎn)品中。低功耗、高集成度、高分辨率的薄膜晶體管顯示集成芯片需要能夠驅(qū)動大容性負(fù)載、大帶寬等特性的低功耗多級運(yùn)算放大器。
視頻監(jiān)控領(lǐng)域
視頻監(jiān)控在現(xiàn)代社會安全防范系統(tǒng)中有重要作用，視頻監(jiān)控系統(tǒng)的主要組成部分及其作用，結(jié)合SGM916的設(shè)計電路結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用所具有的優(yōu)勢，提出了采用SGM9116作為監(jiān)控系統(tǒng)中的視頻運(yùn)算放大器。視頻分配器可把一路視頻輸入信號分配成多路視頻輸出信號，以供多臺視頻設(shè)備同時使用。
開關(guān)電源電路
在新型軌對軌運(yùn)算放大器中，通過聯(lián)合應(yīng)用浮柵結(jié)構(gòu)以及負(fù)反饋電路，能夠保證共模電平恒定，同時通過應(yīng)用折疊式共源共柵電路，可保證電路增益。運(yùn)算放大器用于監(jiān)測開關(guān)電源的輸出電壓，并與設(shè)定值進(jìn)行比較，然后根據(jù)比較結(jié)果來控制開關(guān)元件的工作，以維持輸出電壓穩(wěn)定。這種反饋控制是開關(guān)電源的核心，確保輸出電壓在所需范圍內(nèi)。
直流電壓表
直流電壓表是用集成運(yùn)放構(gòu)成的直流電壓表被測電壓接于運(yùn)算放大器的同相輸入端，運(yùn)放的輸出端接有量程為 150mV 的電壓表，為了擴(kuò)大電壓表的程，輸入端接有由電阻 R1R8 組成的分壓器。集成運(yùn)放接成同相比例運(yùn)算電路，其輸出電壓為運(yùn)放同相輸入端的電壓，它與被測電壓U成正比，比例系數(shù)取決于分壓器的分壓比。
橋式傳感器放大電路
不少傳感器本身是電橋電路(如電容式壓力變送器)或接成電橋測量電路(如應(yīng)變片傳感器、溫度傳感器、氣敏傳感器等)。接成電橋測量電路可消除傳感器的溫度誤差，而溫度傳感器接成電橋電路則是為了在測量溫度最低值時，使輸出為零。
蓄電池自動充電電路
運(yùn)算放大器 F007的同相端加一固定電勢，當(dāng)蓄電池的電壓低于某一值時，放大器反向端電位比同相端低。這個信號被 F007 與擴(kuò)大輸出電流能力組成的增益為10 倍的放大器放大后，使繼電器接通充電電路，蓄電池便自動充電。
穩(wěn)壓電源
用 F007 集成運(yùn)放可構(gòu)成簡單的串聯(lián)調(diào)整穩(wěn)壓電源。在此電路中，F(xiàn)007 集成運(yùn)放實(shí)際上就是一個同相輸入的跟隨器。穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值為 9V，通過電位器的分壓，給放大器的同相輸入端提供09V 的連續(xù)可調(diào)參考電壓。
參考資料 >
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《你好，放大器》之三：真空管運(yùn)放的終結(jié)者—晶體管運(yùn)算放大器.與非網(wǎng).2023-09-05
用于 TFT-LCD 集成芯片的低功耗 多級運(yùn)算放大器研究.萬方數(shù)據(jù).2023-09-06
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