運算放大器（Operation   lifier）它是一種高放大倍數(shù)的直接耦合放大器，是一種應(yīng)用廣泛的模擬電子集成電路產(chǎn)品，因曾經(jīng)是模擬電子計算機中的多種數(shù)學(xué)運算器而得名。

運算放大器起源于蒸汽機時代，離心調(diào)速器的負反饋原理為其奠定了基礎(chǔ)。20世紀20年代末30年代初，貝爾電話實驗室發(fā)明了反饋放大器原理，為運算放大器的發(fā)展鋪平了道路。這一重要發(fā)明直接導(dǎo)致了真空管運算放大器的首次出現(xiàn)，它于20世紀40年代初問世。1964 年，F(xiàn)SC公司研制出第一個集成運算放大器μA702集成運算放大器自1964年誕生以來，經(jīng)歷了四次重要的迭代，如今其應(yīng)用范圍得到了極大的拓展，可以用于不同頻段的放大器、振蕩器、有源濾波器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路、在高精度測量電路和電源模塊等許多場合。

運算放大器有各種形狀，內(nèi)部電路分為輸入級、中間級和輸出級，它們直接耦合。偏置電路提供穩(wěn)定的偏置電流并增加電壓增益。運算放大器按工作原理可分為真空管運算放大器、晶體管運算放大器。按其用途可分為通用型和專用型。它廣泛應(yīng)用于集成電路中、視頻監(jiān)控、以及開關(guān)電源電路等領(lǐng)域。

背景

運算放大器的歷史可以追溯到瓦特 蒸汽機時代。瓦特改進紐科門蒸汽機時，關(guān)鍵的突破是離心調(diào)速器的發(fā)明。首次將負反饋原理應(yīng)用于離心調(diào)速器，實現(xiàn)了蒸汽機轉(zhuǎn)速的自動調(diào)節(jié)反饋控制的思想不僅成為自動控制的核心，而且深刻地影響了模擬電路領(lǐng)域。20世紀初，真空三極管的出現(xiàn)使微弱信號的放大成為可能這項技術(shù)很快被用于電話信號傳輸，但它面臨著放大器增益不穩(wěn)定的問題。哈羅德·布萊克借鑒了離心調(diào)速器的原理，發(fā)明了負反饋放大器，從而解決了這個問題。反饋放大器是增益遠大于實際增益的放大器，將放大器輸出信號的一部分反饋到輸入端，用反饋信號抑制輸入信號。電路的增益由無反饋控制，與放大器無關(guān)。這是負反饋放大器的基本原理，至今仍是運算放大器的核心原理。第一個運算放大器誕生了

如上所述，20世紀20年代末30年代初，貝爾電話實驗室發(fā)明了反饋放大器原理，為運算放大器的發(fā)展鋪平了道路。這一重要發(fā)明直接導(dǎo)致了真空管運算放大器的首次出現(xiàn)，它于20世紀40年代初問世，一直使用到二戰(zhàn)。二戰(zhàn)后，真空管運算放大器得到了改進和完善，但仍然龐大、耗電量高。

真空管運算放大器體積龐大，功耗高比如M9真空管運算放大器的6L6管總功耗在25W左右，包括陽極和燈絲功耗。其他真空管損耗也高，導(dǎo)致整個放大器最低功耗達到20W。相比之下，現(xiàn)代集成運算放大器通常只需要幾百毫瓦的功耗，這是一個巨大的差距。另外，真空管運算放大器需要很多輔助設(shè)備，比如燈絲變壓器、高壓變壓器、整流濾波電路和交流穩(wěn)壓電源使整個系統(tǒng)笨重復(fù)雜。由 50  美國制造了晶體管運算放大器，不僅縮小了尺寸，而且降低了功耗和電源電壓，形成了理想的元件，其功能遠遠超出了模擬運算的范圍，被廣泛應(yīng)用于各種電子技術(shù)領(lǐng)域。

集成運算放大器取代真空運算放大器

19643356年，F(xiàn)SC公司研制出世界上第一個單片集成運算放大器μA702。它把電路中所有的晶體管電阻和元件之間的連接線一起放在一個小硅片上，它由“部件”它變成了一個小設(shè)備，人們可以直接把它當(dāng)作通用設(shè)備來使用。

運算放大器

集成運算放大器的四次迭代

第一代集成運算放大器以1965年問世的FC3為代表。其特點是采用微電流源共模負反饋和標準電源電壓(士15V)在開環(huán)電壓增益、輸入電阻、失調(diào)電壓、溫度漂移共模輸入電壓范圍等技術(shù)指標比一般的分立元件直接耦合放大器電路有所提高。

第二代集成運算放大器以19663356年問世的F007或5G24為代表。其特點是采用恒流源負載，進一步提高了開環(huán)差模電壓增益;將放大級的數(shù)量從三個減少到兩個使得防止自激更加容易一般來說，只需要外接一個30pF的電容(F007 已經(jīng)預(yù)制在電路內(nèi)部)電路中還有過載保護，防止集成運算放大器因過流而損壞。

第三代集成運算放大器以1972年問世的4E325為代表。它的特點是采用“超管”輸入級被組成，并且在布局設(shè)計中考慮了熱反饋的影響，因此開環(huán)電壓增益、共模抑制比、失調(diào)電壓、失調(diào)電流和溫度漂移等技術(shù)指標得到了改善。

第四代集成運算放大器以1973年問世的HA2900 為代表。其特點是制造工藝已進入大規(guī)模集成階段，場效應(yīng)晶體管和雙極晶體管在同一硅片上兼容，并采取調(diào)制解調(diào)等措施進一步降低失調(diào)電壓和溫度漂移，使其性能指標在一般情況下無需調(diào)零即可使用。

現(xiàn)在集成運算放大器的應(yīng)用已經(jīng)大大擴展，可以用于不同頻段的放大器、振蕩器、有源濾波器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路、在高精度測量電路和電源模塊等許多場合。

命名

集成運算放大器電路的符號如圖所示。它有兩個輸入端和一個輸出端，其中標尺“+”或“所述同相輸入的結(jié)束，標準“或“的引腳代表反相輸入引腳。輸出端標有加號，這意味著輸出信號的極性與從同相端輸入的信號的極性相同，但與從反相端輸入的信號的極性相反。

集成運算放大器的等效電路如圖所示，其中 代表運算放大器的差模輸入電阻和運算放大器的輸出電阻。

集成運算放大器通常具有雙列直插式形狀、扁平式和圓形簡易式等，集成運算放大器的內(nèi)部電路一般由輸入級組成、中間級和輸出級，級間直接耦合。

集成運算放大器的輸入級是一個關(guān)鍵部分，它需要很高的輸入電阻、降低零漂、抑制干擾。通常由半導(dǎo)體三極管制成、結(jié)型場效應(yīng)晶體管或絕緣柵場效應(yīng)晶體管與恒流源構(gòu)成差分放大電路，提高了輸入阻抗，減小了零點漂移，增強了共模抑制。輸入級通常工作在低電流狀態(tài)，以獲得高輸入阻抗。

中間級主要用于電壓放大，以實現(xiàn)總增益。獲得運算放大器的總增益通常需要盡可能提高電壓放大系數(shù)，并提供大的輸出電流。為此通常采用一級或多級恒流源負載的共發(fā)射極電路，可以達到極高的增益，有時可達幾千倍。

輸出級要求低輸出電阻、強負載能力、大電壓大電流輸出，過載保護。射極跟隨器或互補射極跟隨器通常用于實現(xiàn)低輸出阻抗，增強負載驅(qū)動能力，擴大電流動態(tài)范圍。偏置電路提供穩(wěn)定的偏置電流，確定工作點，并提高電壓增益。恒流源的各種組合通常用在各級電路中。

理想情況下，運算放大器的增益是無窮大，但實際上，在開環(huán)模式下，增益只有200，000左右。在開環(huán)模式下， 的輸出和輸入之間沒有反饋，電壓增益最大。在實際電路中，如果兩個輸入端之間存在很小的電位差，輸出電壓會趨于最大電源電平。由于運算放大器的內(nèi)部壓降，最大輸出電壓僅為電源電壓的90%左右。這樣的輸出被認為是飽和的，并且可以用來指示輸出的兩個極性。開環(huán)模式主要用于電壓比較器和電平檢測電路。運算放大器的通用性在于它可以在閉環(huán)模式下應(yīng)用于多種類型的電路。外部元件用于將輸出電壓的一部分反饋到反相輸入端。這種反饋可以穩(wěn)定大多數(shù)電路并降低噪聲水平。電壓增益將小于開環(huán)模式下的最大增益。

在實際電路中，閉環(huán)增益必須控制在一定值。一個電阻串聯(lián)在反相輸入端（如圖3），你可以控制運算放大器的增益。電路中的電壓增益由和的比值決定，表示為：公式中，負號僅表示運算放大器電路反向輸入連接，不影響計算。例如，如果=10kΩ、=100kΩ，則=10。即若有0.01V的輸入電壓將產(chǎn)生0.1V的輸出電壓。如果=1kΩ，則增加到100。此時，0.01V的輸入電壓產(chǎn)生1V的輸出電壓。

如果和的值相同，或稱為單位增益。單位增益也可以通過直接將輸出端與輸入端相連來獲得，如圖4所示。在這種同相輸入連接中，輸出電壓等于輸入電壓，并且。

輸入失調(diào)電壓（Vos）

指為了使運算放大器的輸出電壓為零，必須施加在兩個輸入端之間的DC電壓。

開環(huán)電壓增益(Ad)

80 ~ 1403356 decibels（在標稱電源電壓和25℃的溫度下，當(dāng)運算放大器的靜態(tài)輸出電壓為零時，輸入偏置電流流動(或流出)BJT的平均電流(雙極型三極管) 10 ~ 100mA, field effect transistor(場效應(yīng)管)1～10 帕。

輸入失調(diào)電流(Ios)

衡量集成運算放大器兩個偏置電流之間不對稱性的指標，一般定義為輸入信號為零時，運算放大器在標稱電源電壓和室溫下兩個輸入端的偏置電流之差。

最大輸出電壓(Uom)

最大輸出電壓又稱輸出電壓擺幅，定義為運算放大器在額定電源電壓和額定負載下，無明顯失真時所獲得的最大峰值輸出電壓，一般比電源電壓低 2~4 V(輸出管飽和電壓)

增益帶寬積(GBW)

增益帶寬積定義為低頻或差分電增益與帶寬的乘積，單位為Hz。對于單極放大器的頻率特性，其 GBW 是常數(shù)。在實際使用中，集成“運放”幾乎總是在閉環(huán)中工作。

共模抑制比(KCMR)

該指示器的大小表示集成“運放”對共模信號(它通常是一個干擾信號)的抑制能力。定義為開環(huán)差模增益與開環(huán)共模增益之比，工程上常用分貝表示。共模抑制比指標在微弱信號放大中非常重要，因為在很多實際場合都存在共模干擾信號。比如信號源是有源橋式電路的輸出，或者信號源通過長電纜連接到放大器的輸入端，都可能造成放大器的接地端和信號源的接地端電位不同，從而造成共模干擾。

擺速(SR)

根據(jù)定義，擺率(轉(zhuǎn)換速率)是表示“運放”最大允許輸出電壓 V與時間變化率的關(guān)系。擺幅速度描述了運算放大器對內(nèi)部電容或負載電容充放電的能力。定義為:當(dāng)階躍電壓施加到輸入端時，差分級在一側(cè)被切斷、一側(cè)導(dǎo)電時輸出電壓的變化率。

最大差模輸入電壓(Vidm)和最大共模輸入電壓(Vicm)

在實際工作中，整合“運放” 的最大差模輸入電壓受輸入級發(fā)射極結(jié)反向擊穿電壓的限制，任何情況下都不能超過該值，否則會損壞器件。當(dāng)輸入端的最大共模電壓超過 時，放大器將無法正常工作。運算放大器的優(yōu)缺點

真空管運算放大器

優(yōu)點：輸入阻抗高、輸出功率大、沒有帶寬限制。

缺點：消耗熱量多、真空管壽命有限、真空管不穩(wěn)定、怕震動。

晶體管運算放大器

優(yōu)點：消耗熱量小、壽命長、可靠度高、不怕震動。

缺點：輸入阻抗低、輸出功率小、頻帶寬度小。

按工作原理分類

真空管運算放大器、晶體管運算放大器。

按其用途分類

晶體管運算放大器根據(jù)用途分為通用型和專用型。

通用晶體管運算放大器：通用晶體管運算放大器參數(shù)均衡全面，適合一般工程設(shè)計。一般認為，工作時沒有特殊參數(shù)要求的集成運算放大器可以歸為通用型。通用型因為應(yīng)用范圍廣，產(chǎn)量大，所以價格便宜。作為一般應(yīng)用，應(yīng)首先選擇一般類型。

特種晶體管運算放大器：這類晶體管運算放大器是為滿足某些特殊要求而設(shè)計的，其一個或多個參數(shù)往往非常突出，因此可分為:低功耗或微功耗集成運算放大器、高速集成運算放大器、寬帶集成運算放大器（一般增益帶寬乘積應(yīng)大于10 MHz）高精度集成運算放大器（特點是高增益、高共模抑制比、低偏流、低溫漂、低噪聲等）高壓集成運算放大器（正常輸出電壓u大于22 伏）功率集成運算放大器、高輸入阻抗集成運算放大器、電流模式集成運算放大器、跨導(dǎo)集成運算放大器、可編程集成運算放大器、低噪聲集成運算放大器、集成電壓跟隨器、集成電壓跟隨器。