什么是集成运算放大器？分类及其应用电路详解

自从1964年美国仙童公司研制出第一个单片集成运算放大器μA702以来，集成运算放大器得到了广泛的应用，它已成为线性集成电路中品种和数量最多的一类。国标统一命名法规定，集成运算放大器各个品种的型号有字母和阿拉伯数字两大部分组成。

字母在首部，统一采用CF两个字母，C表示国标，F表示线性放大器，其后的数字表示集成运算放大器的类型。

它的增益高(可达60~180dB)，输入电阻大(几十千欧至百万兆欧)，输出电阻低(几十欧)，共模抑制比高(60~170dB)，失调与飘移小，而且还具有输入电压为零时输出电压亦为零的特点，适用于正，负两种极性信号的输入和输出。模拟集成电路一般是由一块厚约0.2~0.25mm的P型硅片制成，这种硅片是集成电路的基片。

基片上可以做出包含有数十个或更多的BJT或FET、电阻和连接导线的电路。运算放大器除具有+、-输入端和输出端外，还有+、-电源供电端、外接补偿电路端、调零端、相位补偿端、公共接地端及其他附加端等。它的闭环放大倍数取决于外接反馈电阻，这给使用带来很大方便

]集成运算放大电路是一种直接耦合的多级放大电路，它是利用半导体的集成工艺，实现电路、电路系统和元件三结合的产物。由于采用集成工艺，可以使相邻元器件参数的一致性好，且采用多晶体管的复杂电路，使之性能做得十分优越。集成运算放大器的型号各异，但用得最为普遍的是通用型集成运放，其内部电路一般为差分输入级、中间级和互补输出级，并带有各种各样的电流源电路。

耦合方式

任何一个电路系统都是由若干个单管放大电路串接而成的多级放大电路组成，这样才能满足电路系统一放大能力、输入电阻、输出电阻的要求。组成多级放大电路的每一个单管放大电路称为一级，级与级之间的连接方式称为级间耦合方式，多级放大电路常见的耦合方式有：阻容耦合、直接耦合、变压器耦合和光电耦合。

基本组成部分通常包含四个基本组成部分，即输入级、中间级、输出级和偏置电路。

参数表征集成运算放大器性能的参数有30多个，常用的有以下10种。1、开环差模电压放大倍数：简称开环增益，表示运算放大器本身的放大能力。一般为50 000～200 000倍。2、输入失调电压：表示静态时输出端电压偏离预定值的程度。一般为2～10mV(折合到输入端)。3、单位增益带宽：表示差模电压放大倍数下降到1时的频率。一般在1MHz左右。4、转换速率(又称压摆率)：表示运算放大器对突变信号的适应能力。一般在0.5V/μs左右。5、输出电压和电流：表示运放的输出能力。一般输出电压峰值至峰值要比电源电压低1～3V，短路电流在25mA左右。6、静态功耗：表示无信号条件下运放的耗电程度。当电源电压为±15V时，静态功耗双极型晶体管一般为50～100mW，场效应管一般为1mW。7、输入失调电压温度系数：表示温度变化对失调电压的影响。一般为3～5μV/℃(折合到输入端)。8、输入偏置电流：表示输入端向外界索取电流的程度。双极型晶体管一般为80～500nA，场效应管一般为1nA。9、输入失调电流：表示流经两个输入端电流的差别。双极型晶体管一般为20～200nA，场效应管一般小于1nA。10、共模抑制比：表示运放对差模信号的放大倍数和对共模信号放大倍数之比。一般为70～90dB [2] 。

分类

按照集成运算放大器的参数分类

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mA741(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>(109~1012)W，IIB 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LF356、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。常用的高精度、低温漂运算放大器有OP-07、OP-27、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、mA715 等，其SR=50~70V/ms，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50~250mA。有的功耗已达微瓦级，例如ICL7600 的供电电源为1.5V，功耗为10mW，可采用单节电池供电。

6、高压大功率型运算放大器运算放大器的输出电压主要受供电电源的限制。在普通的运算放大器中，输出电压的最大值一般仅几十伏，输出电流仅几十毫安。若要提高输出电压或增大输出电流，集成运放外部必须要加辅助电路。高压大电流集成运算放大器外部不需附加任何电路，即可输出高电压和大电流。例如D41集成运放的电源电压可达±150V，uA791集成运放的输出电流可达1A。

集成运放

集成运算放大器

指标

开环差模电压放大倍数Aod：Aod=Uo/Uid，即输出/输入。一般越大越好，理想情况Aod=∞

最大输出电压Uop-p：最大不失真输出电压的峰–峰值

差模输入电阻rid：差模输入电阻越大越好，理想情况rid=∞，此时才能把全部电压加在输入电阻两端进行放大

输出电阻ro：输出电阻越小越好，理想情况ro=0，此时才能把放大后的全部电压加载负载电阻两端

两个重要结论

因为Aod=∞，所以通常加上反馈电阻

虚短：反相输入端与同相输入端近似等电位，即U+=U-

虚断：因为rid=∞，输入电流为零，即i=0

集成运放构成的三种电路

反相比例运算电路

同向比例运算电路

差动比例运算电路

电压跟随器：同相比例运算放大器的特例。电压串联负反馈，输入电阻大，输出电阻小，但是电压跟随性能好。

了解集成运算放大器的一般概况;掌握集成运算放大器在线性和非线性应用方面的基本电路工作原理及分析方法;了解正弦波振荡器的电路特点、其振条件、起振过程及稳幅等概念。

1.　集成运算放大器简介，要求达到“领会”层次。

2.　集成运算放大器的线性应用电路，要求达到“综合应用”层次。

3.　集成运算放大器的非线性应用，要求达到“简单应用”层次。

4.　正弦波振荡器电路，要求达到“领会”层次。

重点：线性应用中各种基本运算电路的分析、非线性应用中电压比较器的分析。

难点：电压比较器和正弦波振荡电路。

1. 集成运放的电路构成及特点

集成运算放大器是一个高增益直接耦合放大电路，它的方框图如图1所示。

(1)输入级 使用高性能的差分放大电路，必须对共模信号有很强的抑制力，采用双端输入、双端输出的形式。

(2)中间放大级 提供高开环放大倍数，以保证运放的运算精度。一般由共发射极组成多级耦合放大电路。

(3)输出级 由PNP和NPN两种极性的三极管或复合管组成，提供大的输出电压或电流。

(4)偏置电流源 提供稳定的偏置电流，以稳定工作点。一般由各种恒流源电路组成。

2. 运算放大器的主要技术指标

(1)输入失调电压Uio ：输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，即为折算到输入端的失调电压。Uio是表征运放内部电路对称性的指标。

(2)输入失调电流Iio：在输入信号为零时，放大器两个输入端的静态基极电流差，用于表征差分级输入电流不对称的程度。

(3)输入偏置电流IiB：运放两个输入端静态偏置电流的平均值，即

(4)开环差模电压放大倍数Au0 ：运放在无外加反馈条件下，输出电压与输入电压的变化量之比。即 。

(5)最大输出电压 Uopp：输出不失真时的最大输出电压值。

(6)最大共模输入电压UiCM ：在保证运放正常工作条件下，共模输入电压的允许范围。共模电压超过此值时，输入差分对管出现饱和，放大器失去共模抑制能力。

(7)共模抑制比KCMR ：差模电压放大倍数与开环共模电压放大倍数绝对值之比，常用分贝数来表示。

3. 理想集成运放极其分析特点

(1) 集成运放理想化条件

满足下列参数指标的运算放大器可以视为理想运算放大器。

① 开环差模电压放大倍数Au0=∞，实际上Au0≥80dB即可。

② . 差模输入电阻rid=∞，实际上rid比输入端外电路的电阻大2～3个量级即可。

③ 开环输出电阻ro=0，实际上ro比输入端外电路的电阻小2～3个量级即可。

④ 共模抑制比Kcm=∞ 。

理想运放在电路中的图形符号如图2所示。同相输入端(该端输入信号变化的极性与输出端相同)u+(或up);反相输入端(该端输入信号变化的极性与输出端相异)u-( 或uN) 表示。在图符中的输入端分别用符号"+"和"-"标明。输出端uo。

图 2 集成运放的符号

(2) 理想运放工作在线性区的特点

为了保证线性运用，运算放大器必须在闭环下工作。

●　虚地

“虚地”是指在分析运算放大器处于线性状态时，工作在反相输入状态下，反相输入端的电位为零，这一特性称为虚假接地，简称虚地。

●　虚短

“虚短”是指在分析运算放大器处于线性状态时，可把两输入端视为等电位，这一特性称为虚假短路，简称虚短。但不能将两输入端真正短路。

●　虚断

"虚断"是指在分析运放处于线性状态时，可以把两输入端视为等效开路，这一特性称为虚假开路，简称虚断。显然不能将两输入端真正断路。