自從1964年美國仙童公司研制出第一個單片集成運算放大器μA702以來，集成運算放大器得到了廣泛的應用，它已成為線性集成電路中品種和數(shù)量最多的一類。國標統(tǒng)一命名法規(guī)定，集成運算放大器各個品種的型號有字母和阿拉伯數(shù)字兩大部分組成。

字母在首部，統(tǒng)一采用CF兩個字母，C表示國標，F(xiàn)表示線性放大器，其后的數(shù)字表示集成運算放大器的類型。

它的增益高(可達60~180dB)，輸入電阻大(幾十千歐至百萬兆歐)，輸出電阻低(幾十歐)，共模抑制比高(60~170dB)，失調(diào)與飄移小，而且還具有輸入電壓為零時輸出電壓亦為零的特點，適用于正，負兩種極性信號的輸入和輸出。模擬集成電路一般是由一塊厚約0.2~0.25mm的P型硅片制成，這種硅片是集成電路的基片。

基片上可以做出包含有數(shù)十個或更多的BJT或FET、電阻和連接導線的電路。運算放大器除具有+、-輸入端和輸出端外，還有+、-電源供電端、外接補償電路端、調(diào)零端、相位補償端、公共接地端及其他附加端等。它的閉環(huán)放大倍數(shù)取決于外接反饋電阻，這給使用帶來很大方便

]集成運算放大電路是一種直接耦合的多級放大電路，它是利用半導體的集成工藝，實現(xiàn)電路、電路系統(tǒng)和元件三結合的產(chǎn)物。由于采用集成工藝，可以使相鄰元器件參數(shù)的一致性好，且采用多晶體管的復雜電路，使之性能做得十分優(yōu)越。集成運算放大器的型號各異，但用得最為普遍的是通用型集成運放，其內(nèi)部電路一般為差分輸入級、中間級和互補輸出級，并帶有各種各樣的電流源電路。

耦合方式

任何一個電路系統(tǒng)都是由若干個單管放大電路串接而成的多級放大電路組成，這樣才能滿足電路系統(tǒng)一放大能力、輸入電阻、輸出電阻的要求。組成多級放大電路的每一個單管放大電路稱為一級，級與級之間的連接方式稱為級間耦合方式，多級放大電路常見的耦合方式有：阻容耦合、直接耦合、變壓器耦合和光電耦合。

基本組成部分通常包含四個基本組成部分，即輸入級、中間級、輸出級和偏置電路。

參數(shù)表征集成運算放大器性能的參數(shù)有30多個，常用的有以下10種。1、開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)：簡稱開環(huán)增益，表示運算放大器本身的放大能力。一般為50 000～200 000倍。2、輸入失調(diào)電壓：表示靜態(tài)時輸出端電壓偏離預定值的程度。一般為2～10mV(折合到輸入端)。3、單位增益帶寬：表示差模電壓放大倍數(shù)下降到1時的頻率。一般在1MHz左右。4、轉換速率(又稱壓擺率)：表示運算放大器對突變信號的適應能力。一般在0.5V/μs左右。5、輸出電壓和電流：表示運放的輸出能力。一般輸出電壓峰值至峰值要比電源電壓低1～3V，短路電流在25mA左右。6、靜態(tài)功耗：表示無信號條件下運放的耗電程度。當電源電壓為±15V時，靜態(tài)功耗雙極型晶體管一般為50～100mW，場效應管一般為1mW。7、輸入失調(diào)電壓溫度系數(shù)：表示溫度變化對失調(diào)電壓的影響。一般為3～5μV/℃(折合到輸入端)。8、輸入偏置電流：表示輸入端向外界索取電流的程度。雙極型晶體管一般為80～500nA，場效應管一般為1nA。9、輸入失調(diào)電流：表示流經(jīng)兩個輸入端電流的差別。雙極型晶體管一般為20～200nA，場效應管一般小于1nA。10、共模抑制比：表示運放對差模信號的放大倍數(shù)和對共模信號放大倍數(shù)之比。一般為70～90dB [2] 。

分類

按照集成運算放大器的參數(shù)分類

1、通用型運算放大器通用型運算放大器就是以通用為目的而設計的。這類器件的主要特點是價格低廉、產(chǎn)品量大面廣，其性能指標能適合于一般性使用。例mA741(單運放)、LM358(雙運放)、LM324(四運放)及以場效應管為輸入級的LF356 都屬于此種。它們是應用最為廣泛的集成運算放大器。

2、高阻型運算放大器這類集成運算放大器的特點是差模輸入阻抗非常高，輸入偏置電流非常小，一般rid>(109~1012)W，IIB 為幾皮安到幾十皮安。實現(xiàn)這些指標的主要措施是利用場效應管高輸入阻抗的特點，用場效應管組成運算放大器的差分輸入級。用FET 作輸入級，不僅輸入阻抗高，輸入偏置電流低，而且具有高速、寬帶和低噪聲等優(yōu)點，但輸入失調(diào)電壓較大。常見的集成器件有LF356、LF355、LF347(四運放)及更高輸入阻抗的CA3130、CA3140等。

3、低溫漂型運算放大器在精密儀器、弱信號檢測等自動控制儀表中，總是希望運算放大器的失調(diào)電壓要小且不隨溫度的變化而變化。低溫漂型運算放大器就是為此而設計的。常用的高精度、低溫漂運算放大器有OP-07、OP-27、AD508及由MOSFET 組成的斬波穩(wěn)零型低漂移器件ICL7650 等。

4、高速型運算放大器在快速A/D 和D/A 轉換器、視頻放大器中，要求集成運算放大器的轉換速率SR 一定要高，單位增益帶寬BWG一定要足夠大，像通用型集成運放是不能適合于高速應用的場合的。高速型運算放大器主要特點是具有高的轉換速率和寬的頻率響應。常見的運放有LM318、mA715 等，其SR=50~70V/ms，BWG>20MHz。

5、低功耗型運算放大器由于電子電路集成化的最大優(yōu)點是能使復雜電路小型輕便，所以隨著便攜式儀器應用范圍的擴大，必須使用低電源電壓供電、低功率消耗的運算放大器相適用。常用的運算放大器有TL-022C、TL-060C 等，其工作電壓為±2V~±18V，消耗電流為50~250mA。有的功耗已達微瓦級，例如ICL7600 的供電電源為1.5V，功耗為10mW，可采用單節(jié)電池供電。

6、高壓大功率型運算放大器運算放大器的輸出電壓主要受供電電源的限制。在普通的運算放大器中，輸出電壓的最大值一般僅幾十伏，輸出電流僅幾十毫安。若要提高輸出電壓或增大輸出電流，集成運放外部必須要加輔助電路。高壓大電流集成運算放大器外部不需附加任何電路，即可輸出高電壓和大電流。例如D41集成運放的電源電壓可達±150V，uA791集成運放的輸出電流可達1A。

集成運放

集成運算放大器

指標

開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aod：Aod=Uo/Uid，即輸出/輸入。一般越大越好，理想情況Aod=∞

最大輸出電壓Uop-p：最大不失真輸出電壓的峰–峰值

差模輸入電阻rid：差模輸入電阻越大越好，理想情況rid=∞，此時才能把全部電壓加在輸入電阻兩端進行放大

輸出電阻ro：輸出電阻越小越好，理想情況ro=0，此時才能把放大后的全部電壓加載負載電阻兩端

兩個重要結論

因為Aod=∞，所以通常加上反饋電阻

虛短：反相輸入端與同相輸入端近似等電位，即U+=U-

虛斷：因為rid=∞，輸入電流為零，即i=0

集成運放構成的三種電路

反相比例運算電路

同向比例運算電路

差動比例運算電路

電壓跟隨器：同相比例運算放大器的特例。電壓串聯(lián)負反饋，輸入電阻大，輸出電阻小，但是電壓跟隨性能好。

了解集成運算放大器的一般概況;掌握集成運算放大器在線性和非線性應用方面的基本電路工作原理及分析方法;了解正弦波振蕩器的電路特點、其振條件、起振過程及穩(wěn)幅等概念。

1.　集成運算放大器簡介，要求達到“領會”層次。

2.　集成運算放大器的線性應用電路，要求達到“綜合應用”層次。

3.　集成運算放大器的非線性應用，要求達到“簡單應用”層次。

4.　正弦波振蕩器電路，要求達到“領會”層次。

重點：線性應用中各種基本運算電路的分析、非線性應用中電壓比較器的分析。

難點：電壓比較器和正弦波振蕩電路。

1. 集成運放的電路構成及特點

集成運算放大器是一個高增益直接耦合放大電路，它的方框圖如圖1所示。

(1)輸入級 使用高性能的差分放大電路，必須對共模信號有很強的抑制力，采用雙端輸入、雙端輸出的形式。

(2)中間放大級 提供高開環(huán)放大倍數(shù)，以保證運放的運算精度。一般由共發(fā)射極組成多級耦合放大電路。

(3)輸出級 由PNP和NPN兩種極性的三極管或復合管組成，提供大的輸出電壓或電流。

(4)偏置電流源 提供穩(wěn)定的偏置電流，以穩(wěn)定工作點。一般由各種恒流源電路組成。

2. 運算放大器的主要技術指標

(1)輸入失調(diào)電壓Uio ：輸入電壓為零時，將輸出電壓除以電壓增益，即為折算到輸入端的失調(diào)電壓。Uio是表征運放內(nèi)部電路對稱性的指標。

(2)輸入失調(diào)電流Iio：在輸入信號為零時，放大器兩個輸入端的靜態(tài)基極電流差，用于表征差分級輸入電流不對稱的程度。

(3)輸入偏置電流IiB：運放兩個輸入端靜態(tài)偏置電流的平均值，即

(4)開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Au0 ：運放在無外加反饋條件下，輸出電壓與輸入電壓的變化量之比。即 。

(5)最大輸出電壓 Uopp：輸出不失真時的最大輸出電壓值。

(6)最大共模輸入電壓UiCM ：在保證運放正常工作條件下，共模輸入電壓的允許范圍。共模電壓超過此值時，輸入差分對管出現(xiàn)飽和，放大器失去共模抑制能力。

(7)共模抑制比KCMR ：差模電壓放大倍數(shù)與開環(huán)共模電壓放大倍數(shù)絕對值之比，常用分貝數(shù)來表示。

3. 理想集成運放極其分析特點

(1) 集成運放理想化條件

滿足下列參數(shù)指標的運算放大器可以視為理想運算放大器。

① 開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Au0=∞，實際上Au0≥80dB即可。

② . 差模輸入電阻rid=∞，實際上rid比輸入端外電路的電阻大2～3個量級即可。

③ 開環(huán)輸出電阻ro=0，實際上ro比輸入端外電路的電阻小2～3個量級即可。

④ 共模抑制比Kcm=∞ 。

理想運放在電路中的圖形符號如圖2所示。同相輸入端(該端輸入信號變化的極性與輸出端相同)u+(或up);反相輸入端(該端輸入信號變化的極性與輸出端相異)u-( 或uN) 表示。在圖符中的輸入端分別用符號"+"和"-"標明。輸出端uo。

圖 2 集成運放的符號

(2) 理想運放工作在線性區(qū)的特點

為了保證線性運用，運算放大器必須在閉環(huán)下工作。

●　虛地

“虛地”是指在分析運算放大器處于線性狀態(tài)時，工作在反相輸入狀態(tài)下，反相輸入端的電位為零，這一特性稱為虛假接地，簡稱虛地。

●　虛短

“虛短”是指在分析運算放大器處于線性狀態(tài)時，可把兩輸入端視為等電位，這一特性稱為虛假短路，簡稱虛短。但不能將兩輸入端真正短路。

●　虛斷

"虛斷"是指在分析運放處于線性狀態(tài)時，可以把兩輸入端視為等效開路，這一特性稱為虛假開路，簡稱虛斷。顯然不能將兩輸入端真正斷路。