运算放大器知识

运算放大器（英语：Operational Amplifier，简称OP、OPA、OPAMP、运放）是一种直流耦合，差模（差动模式）输入、通常为单端输出（Differential-in, single-ended output）的高增益（gain）电压放大器，因为刚开始主要用于加法，减法等模擬运算电路中，因而得名。

通常使用运算放大器时，会将其输出端与其反相输入端（inverting input node）连接，形成一负反馈（negative feedback）组态。原因是运算放大器的电压增益非常大，范围从数百至数万倍不等，使用负反馈方可保证电路的稳定运作。但是这并不代表运算放大器不能连接成正反馈（positive feedback）组态，相反地，在很多需要产生震荡信号的系统中，正反馈组态的运算放大器是很常见的组成元件。

运算放大器有许多的规格参数，例如：低频增益、单位增益频率（unity-gain frequency）、相位边限（phase margin）、功耗、输出摆幅、共模抑制比（common-mode rejection ratio）、电源抑制比（PSRR，power-supply rejection ratio）、共模输入范围（input common mode range）、电压摆动率（slew rate）、输入偏移电压（input offset voltage，又译：失调电压）、还有噪声等。

目前运算放大器广泛应用于家电，工业以及科学仪器领域。一般用途的集成电路运算放大器售价不到一美元，而现在运算放大器的设计已经非常成熟，输出端可以直接短路到系统的接地端（ground）而不至于产生短路电流（short-circuit current）破坏元件本身。

运算放大器的历史

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。

运算放大器最早被设计出来的目的是用来进行加、减、微分、积分的模擬数学运算，因此被称为“运算放大器”[1]。同时它也成为实现模拟计算机（analog computer）的基本建构单元。然而，理想运算放大器的在电路系统设计上的用途却远超过加减等的计算。今日的运算放大器，无论是使用晶体管（transistor）或真空管（vacuum tube）、分立式（discrete）元件或集成电路（integrated circuits）元件，运算放大器的效能都已经逐渐接近理想运算放大器的要求。最早期的运算放大器是使用真空管设计，现在则多半是集成电路式的元件，但是如果系统对于放大器的需求超出集成电路放大器的能力时，也会利用分立式元件来实现这些特殊规格的运算放大器。

1960年代晚期，仙童半导体（Fairchild Semiconductor）推出了第一个被广泛使用的集成电路运算放大器，型号为μA709，设计者则是鲍伯·韦勒（Bob Widlar）。但是709很快地被随后而来的新产品μA741取代，741有着更好的效能，更为稳定，也更容易使用。741运算放大器成了微电子

工业发展历史上的一个里程碑式，历经了数十年的演进仍然没有被取代，很多集成电路的制造商至今仍然在生产741，而且在元件的型号上一定会加上“741”以资区别。但事实上后来仍有很多效能比741更好的运算放大器出现，利用新的半导体元件，如1970年代的场效晶体管（FET）或是1980年代早期的金氧半场效晶体管（MOSFET）等。这些元件常常能直接使用在741的电路架构中，而获得更好的效能。

通常运算放大器的规格都会有严格的限制，而封装和对电源供应的需求也已经标准化。通常只需要少量的外接元件（external devices），运算放大器就能执行各种不同的模擬信号处理任务。在售价方面，虽然今日的标准型或是一般用途（general purpose）运算放大器因为需求量及产量皆大的缘故而跌至一元美金以下，但是特殊用途的运算放大器售价仍然有可能是泛用型的一百倍以上。

运算放大器的里程碑1941年：贝尔实验室的 Karl D. Swartzel Jr. 发明了真空管组成的第一个运算放大器，并取得美国专利 2,401,779，名为“Summing Amplifier”（加算放大器），在第二次世界大战时，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；
1961年：第一个由个别晶体管组成的运算放大器电路板组件，GAP/R 公司的 P45；
1962年：第一个胶封模组形式的运算放大器，GAP/R 公司的 PP65；
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；
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。


实际运算放大器的局限
理想的运算放大器并不存在于这个世界上，所有的运算放大器电路都会遇到下列的问题，影响了它们的应用，也让设计者在使用运算放大器时必须考量到更多可能会发生的问题。

直流的非理想问题
有限的开回路增益实际的运算放大器开回路增益为有限的而不是无限的。根据电子电路相关书籍资料，以OP Amp 741元件而言，其开回路电压增益大约为200000。

有限的输入阻抗
大于零的输出阻抗
大于零的输入偏置电流
大于零的共模增益

交流的非理想问题
有限的带宽
输入电容

非线性的问题
信号饱和
延迟率
非线性转换函数

功率损耗的考量
输出功率的限制
输出电流的限制
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