5运算放大器(8版)

运算放大器

运放(operational amplifier）能对信号进行数学运算的放大电路。它曾是模拟计算机的基础部件，因而得名。采用集成电路工艺制做的运算放大器，除保持了原有的很高的增益和输入阻抗的特点之外，还具有精巧、廉价和可灵活使用等优点，因而在有源滤波器、开关电容电路、数-模和模-数转换器、直流信号放大、波形的产生和变换，以及信号处理等方面得到十分广泛的应用。

直流放大电路在工业技术领域中，特别是在一些测量仪器和自动化控制系统中应用非常广泛。如在一些自动控制系统中，首先要把被控制的非电量（如温度、转速、压力、流量、照度等）用传感器转换为电信号，再与给定量比较，得到一个微弱的偏差信号。因为这个微弱的偏差信号的幅度和功率均不足以推动显示或者执行机构，所以需要把这个偏差信号放大到需要的程度，再去推动执行机构或送到仪表中去显示，从而达到自动控制和测量的目的。因为被放大的信号多数变化比较缓慢的直流信号，分析交流信号放大的放大器由于存在电容器这样的元件，不能有效地耦合这样的信号，所以也就不能实现对这样信号的放大。能够有效地放大缓慢变化的直流信号的最常用的器件是运算放大器。运算放大器最早被发明作为模拟信号的运算（实现加减乘除比例微分积分等）单元，是模拟电子计算机的基本组成部件，由真空电子管组成。所用的运算放大器，是把多个晶体管组成的直接耦合的具有高放大倍数的电路，集成在一块微小的硅片上。

一、发展历史

第一个使用真空管设计的放大器大约在1930年前后完成，这个放大器可以执行加与减的工作。

1941年：由真空管组成的第一个运算放大器，由贝尔实验室的 Karl D. Swartzel Jr. 取得，名为“Summing Amplifier”（加算放大器），在二次大战时，该设计大量用于军用火炮导向装置中。

1947年：第一个具有非反向输入端的运算放大器由哥伦比亚大学的 John R. Ragazzini 教授在论文中提出，并提及他的学生随后会实际设计出具有重大改进的运算放大器

1949年：第一个使用截波稳定式（Chopper-stabilized）电路的运算放大器问世。

1961年：第一个由个别晶体管组成的运算电子放大器板组件

1962年：第一个胶封模组形式的运算放大器

1963年：第一个以集成电路单一芯片形式制成的运算放大器是快捷半导体Fairchild公司 Bob Widlar 所设计的μA702，一开始但还不算很成功，直到1965年经修改后推出μA709 1963年：首次作为商业产品贩售的运算放大器是 George A. Philbrick Researches (GAP/R) 公司的真空管运算放大器，型号 K2-W

1966年：第一个使用变容二极管桥（Varactor Bridge）电路的运算放大器诞生

1967年：美国国家半导体公司推出 LM101，改善了许多重要问题，使集成电路运算放大器开始流行

1968年：飞兆半导体公司推出μA741，与 LM101 相比，μA741内部增加了30pF的频率补偿电容。该产品第二来源众多，迄今仍然在生产使用，它是有史以来最成功的运算放大器，也是极少数最长寿的IC型号之一。

1970年：开始出现输入端使用FET的高速、低输入电流（高输入阻抗）运算放大器。

1972年：第一个可使用单电源供应的运算放大器 LM324 推出。 LM324 内含四个运算放大器，它的接脚排列方式也被随后的同类型运算放大器延用，成为业界标准。

二、主要类型

按照集成运算放大器的参数来分,集成运算放大器可分为如下几类。

1. 通用型运算放大器

通用型运算放大器就是以通用为目的而设计的。这类器件的主要特点是价格低廉、产品量大面广,其性能指标能适合于一般性使用。例μA741（单运放）、LM358（双运放）、LM324（四运放）及以场效应管为输入级的LF356都属于此种。它们是目前应用最为广泛的集成运算放大器。

2. 高阻型运算放大器

这类集成运算放大器的特点是差模

输入阻抗非常高,输入偏置电流非常小,

一般rid＞1GΩ-1TΩ,IB为几皮安到几

十皮安。实现这些指标的主要措施是利

用场效应管高输入阻抗的特点,用场效

应管组成运算放大器的差分输入级。用

FET作输入级,不仅输入阻抗高,输入偏

置电流低,而且具有高速、宽带和低噪声

等优点,但输入失调电压较大。常见的集

成器件有LF355、LF347（四运放）及更

高输入阻抗的CA3130、CA3140等。

3. 低温漂型运算放大器

在精密仪器、弱信号检测等自动控制仪表中,

总是希望运算放大器的失调电压要小且不

随温度的变化而变化。低温漂型运算放大器

就是为此而设计的。目前常用的高精度、低

温漂运算放大器有OP07、OP27、AD508及由

MOSFET组成的斩波稳零型低漂移器件

ICL7650等。

4. 高速型运算放大器

在快速A/D和D/A转换器、视频放大器

中,要求集成运算放大器的转换速率SR一定

要高,单位增益带宽BWG一定要足够大,像通

用型集成运放是不能适合于高速应用的场

合的。高速型运算放大器主要特点是具有高

的转换速率和宽的频率响应。常见的运放有

LM318、μA715等,其SR=50-70V/us,BWG＞

20MHz。

5. 低功耗型运算放大器

由于电子电路集成化的最大优点是能

使复杂电路小型轻便,所以随着便携式仪器

应用范围的扩大,必须使用低电源电压供

电、低功率消耗的运算放大器相适用。常用

的运算放大器有TL-022C、TL-060C等,其工

作电压为±2V~±18V,消耗电流为

50-250μA。目前有的产品功耗已达μW级,

例如ICL7600的供电电源为1.5V,功耗为

10mW,可采用单节电池供电。