运算放大器 （具有很高放大倍数的电路单元）

简介

运算放大器起源于蒸汽机时代，离心调速器的负反馈原理为其奠定基础。在20世纪20年代末和30年代初，贝尔电话实验室发明了反馈放大器原理，为运算放大器的发展铺平了道路。这一重要的发明直接导致了真空管运算放大器的首次出现，这种设备在20世纪40年代初问世。1964 年FSC公司研制出第一块集成运算放大器μA702，集成运放从1964年诞生以来，经历了4次重要的迭代，如今集成运放的应用已经大大扩展，可用于各种不同频带的放大器、振荡器、有源滤波器、模/数转换电路、高精度测量电路中以及电源模块等许多场合。

运算放大器有多种外形，内部电路分为输入级、中间级和输出级，它们直接耦合。偏置电路提供稳定的偏置电流和增加电压增益。运算放大器按工作原理分类可以分为真空管运算放大器、晶体管运算放大器。按其用途分为通用型及专用型两大类。它被广泛用于集成电路、视频监控、以及开关电源电路等各个领域。

发展历程

背景

运算放大器的历史可以追溯到瓦特的蒸汽机时代。瓦特在改进纽科门蒸汽机时，关键的突破是离心调速器的发明。离心调速器首次应用了负反馈原理，实现了对蒸汽机转速的自动调节，而反馈控制思想不仅成为自动控制的核心，也深刻地影响了模拟电路领域。20世纪初，真空三极管的出现使得微弱信号的放大成为可能，这技术很快用于电话信号传输，但面临着放大器增益不稳定的问题。哈罗德·布莱克借鉴离心调速器的原理，发明了负反馈放大器，从而解决了这个问题。反馈放大器就是利用一个增益远大于实际使用增益的放大器，把一部分放大器的输出信号反馈到输入端，以反馈的信号抑制输入信号。电路的增益由无缘反馈器来控制，与放大器无关。这就是负反馈放大器的基本原理，至今仍然是运算放大器的核心原理。

首款运算放大器诞生

正如前文所说，在20世纪20年代末和30年代初，贝尔电话实验室发明了反馈放大器原理，为运算放大器的发展铺平了道路。这一重要的发明直接导致了真空管运算放大器的首次出现，这种设备在20世纪40年代初问世，并一直使用到第二次世界大战。第二次世界大战后，真空管运算放大器经过改进和完善，但它们仍然体积庞大、耗电量高。

真空管运算放大器具有庞大体积和高功耗，例如M9型真空管运算放大器的6L6管总功耗约25W，包括阳极和灯丝功耗。其他真空管的损耗也很高，导致整个放大器的最低功耗达到20W。而与之相比，现代集成运算放大器通常只需数百毫瓦功耗，差距巨大。此外，真空管运算放大器需要大量的辅助设备，如灯丝变压器、高压变压器、整流滤波电路以及交流稳压电源，使整个系统变得笨重而复杂。到 50 年代，晶体管运算放大器制成，不仅缩小了体积，而且降低了功耗和电源电压，形成了比较理想的部件，其功能也远远超过了模拟运算的范围，被广泛地应用于各种电子技术领域中。

集成运放替代真空运放

1964 年FSC公司研制出第一块集成运算放大器μA702，世界上第一块单片集成运算放大器。它把电路中所有的晶体管和电阻以及元件之间的连线一并制作在一小块硅片上，使之由“部件”变成了一个小器件，人们可以直接把它作为一种通用性器件灵活使用。

集成运放的四次迭代

第一代集成运放以1965年问世的FC3为代表。它的特点是采用了微电流源，共模负反馈和标准的电源电压(士15V)在开环电压增益、输入电阻、失调电压、温漂和共模输入电压范围等技术指标方面，都比一般的分立元件直接耦合放大电路有所改善。

第二代集成运放以1966 年问世的F007或5G24为代表。它的特点是采用了恒流源负载，进一步提高了开环差模电压增益;把放大级数由三级减为两级，使防止自激的工作比较简单，一般只要外接30pF的电容器(F007 已在电路内部预制)。在电路中还有过载保护，以防止集成运放因过流而损坏。

第三代集成运放以1972年问世的4E325为代表。它的特点是采用“超

基础知识

命名方法

中国半导体集成电路的型号命名按照GB 3430——82，应由五部分组成：如CF0741CT，其各符号含义如图所示。

符号和等效电路

集成运放电路符号如图所示。它有两个输入端和一个输出端，其中标“+”或“

组成结构

集成运算放大器的外形通常有双列直插式、扁平式及圆简式等多种，集成运算放大器内部电路一般由输入级、中间级和输出级组成，级间直接耦合。集成运算放大器等部件如图所示。

集成运放的输入级是关键部分，要求高输入电阻、降低零漂、抑制干扰。通常由半导体三极管、结型场效应管或绝缘栅型场效应管构成差动放大电路，带恒流源，提高输入阻抗，降低零漂，增强共模抑制等性能。输入级通常在低电流状态工作以获得高输入阻抗。

中间级主要用于电压放大，以实现总增益。获得运放的总增益通常要求尽量提高电压放大倍数，并提供大的输出电流。为此，通常采用一级或多级的共发射极电路，带有恒流源负载，可以实现极高的增益，有时可达几千倍以上。

输出级需要低输出电阻、强负载能力、大电压和电流输出，并具备过载保护。通常采用射极跟随器或互补射极跟随器来实现低输出阻抗，增强负载驱动能力和扩展电流动态范围。

偏置电路提供稳定偏置电流，决定工作点，同时可提高电压增益。各级电路通常使用各种恒流源组合。

工作原理

在理想情况下，运算放大器的增益为无穷大，但实际上在开环模式中，增益仅约超过200,000。开环模式中， 输出与输入间没有反馈，电压增益（

技术指标

输入失调电压（V

指为了使运放的输出电压为零而必须在两个输入端之间施加的直流电压。

开环电压增益(A

80~140 dB（

应用领域

集成运算放大器的典型应用有比例运算、加法运算、减法运算、积分运算、微分运算等。比例运算可分为反向输入和同相输入两种，输入信号从反相输入端引入的运算便是反相运算，同相输入反之；如果在反相输入端增加若干输入电路，则构成反相加法运算电路；在反相比例运算电路中，用电容 C代替 R作为反馈元件，此电路就成为积分运算电路。

集成芯片

随着现代电子显示设备市场的日益发展，TFT-LCD 因其高分辨率、低功耗轻重量、长寿命等特点成为液晶乃至面板显示技术的主流，并被广泛应用在大、中、小尺寸的主流电子产品中。低功耗、高集成度、高分辨率的薄膜晶体管显示集成芯片需要能够驱动大容性负载、大带宽等特性的低功耗多级运算放大器。

视频监控领域

视频监控在现代社会安全防范系统中有重要作用，视频监控系统的主要组成部分及其作用，结合SGM916的设计电路结构及其应用所具有的优势，提出了采用SGM9116作为监控系统中的视频运算放大器。视频分配器可把一路视频输入信号分配成多路视频输出信号，以供多台视频设备同时使用。

开关电源电路

在新型轨对轨运算放大器中，通过联合应用浮栅结构以及负反馈电路，能够保证共模电平恒定，同时通过应用折叠式共源共栅电路，可保证电路增益。运算放大器用于监测开关电源的输出电压，并与设定值进行比较，然后根据比较结果来控制开关元件的工作，以维持输出电压稳定。这种反馈控制是开关电源的核心，确保输出电压在所需范围内。

直流电压表

直流电压表是用集成运放构成的直流电压表被测电压接于运算放大器的同相输入端，运放的输出端接有量程为 150mV 的电压表，为了扩大电压表的程，输入端接有由电阻 R1