[科普中国]-集成运算放大器

集成运算放大器（Integrated Operational Amplifier）简称集成运放，是由多级直接耦合放大电路组成的高增益模拟集成电路。

简介自从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1。

组成集成运算放大器是一种具有高电压放大倍数的直接耦合放大器，主要由输入、中间、输出三部分组成。输入部分是差动放大电路，有同相和反相两个输入端；前者的电压变化和输出端的电压变化方向一致，后者则相反。中间部分提供高电压放大倍数，经输出部分传到负载。它的引出端子和功能如图所示。其中调零端外接电位器，用来调节使输入端对地电压为零(或某一预定值)时，输出端对地电压也为零(或另一个预定值)。补偿端外接电容器或阻容电路，以防止工作时产生自激振荡(有些集成运算放大器不需要调零或补偿)。供电电源通常接成对地为正或对地为负的形式，而以地作为输入、输出和电源的公共端。

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70～90dB2。

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。

按外型的封装样式分类扁平式（即SSOP）

封装的芯片引脚之间距离很小，管脚很细，一般大规模或超大型集成电路都采用这种封装形式，其引脚数一般在100个以上。用这种形式封装的芯片必须采用SMD（表面安装设备技术）将芯片与主板焊接起来。采用S MD安装的芯片不必在主板上打孔，一般在主板表面上有设计好的相应管脚的焊点。将芯片各脚对准相应的焊点，即可实现与主板的焊接。用这种方法焊上去的芯片，如果不用专用工具是很难拆卸下来的。

PFP（Plastic Flat Package）方式封装的芯片与QFP方式基本相同。唯一的区别是QFP一般为正方形，而PFP既可以是正方形，也可以是长方形。

单列直插式（即SIP**）**

最适合焊接，DIY友的最爱，因为这种封装的管脚很长，很适合DIY焊接，且比较坚固，不易损坏。

双列直插式（即DIP）

应用最广泛、最多的封装形式。

绝大多数中小规模集成电路(IC)均采用这种封装形式，其引脚数一般不超过100个。采用DIP封装的CPU芯片有两排引脚，需要插入到具有DIP结构的芯片插座上。当然，也可以直接插在有相同焊孔数和几何排列的电路板上进行焊接。DIP封装的芯片在从芯片插座上插拔时应特别小心，以免损坏引脚。

使用DIP外型的以下好处：

1、适合在PCB(印刷电路板)上穿孔焊接，操作方便。

2、芯片面积与封装面积之间的比值较大，故体积也较大。

Intel系列CPU中8088就采用这种封装形式，缓存(Cache)和早期的内存芯片也是这种封装形式3。

使用要点1、集成运放的电源供给方式

集成运放有两个电源接线端+VCC和-VEE，但有不同的电源供给方式。对于不同的电源供给方式，对输入信号的要求是不同的。

（1）对称双电源供电方式

运算放大器多采用这种方式供电。相对于公共端（地）的正电源（+E）与负电源（-E）分别接于运放的+VCC和-VEE管脚上。在这种方式下，可把信号源直接接到运放的输入脚上，而输出电压的振幅可达正负对称电源电压。

（2）单电源供电方式

单电源供电是将运放的-VEE管脚连接到地上。此时为了保证运放内部单元电路具有合适的静态工作点，在运放输入端一定要加入一直流电位。此时运放的输出是在某一直流电位基础上随输入信号变化。对于交流放大器，静态时，运算放大器的输出电压近似为VCC/2，为了隔离掉输出中的直流成分接入电容C3。

2、集成运放的调零问题

由于集成运放的输入失调电压和输入失调电流的影响，当运算放大器组成的线性电路输入信号为零时，输出往往不等于零。为了提高电路的运算精度，要求对失调电压和失调电流造成的误差进行补偿，这就是运算放大器的调零。常用的调零方法有内部调零和外部调零，而对于没有内部调零端子的集成运放，要采用外部调零方法。

基本应用1、差动输入级 使运放具有尽可能高的输入电阻及共模抑制比。

2、中间放大级 由多级直接耦合放大器组成，以获得足够高的电压增益。

3、输出级 可使运放具有一定幅度的输出电压、输出电流和尽可能小的输出电阻。在输出过载时有自动保护作用以免损坏集成块。输出级一般为互补对称推挽电路。

4、偏置电路为各级电路提供合适的静态工作点。为使工作点稳定，一般采用恒流源偏置电路。

选用应从实际需要出发，不要盲目追求指标的先进性。

1、如无特殊要求，尽量选通用型和多运放；

2、要注意手册中给出的参数是在某一个特定条件下得出的，如条件改变，有些参数也要随着改变；

3、在实验阶段和工作环境复杂的场合，尽量选带有过压、过流、过热保护的型号2。

本词条内容贡献者为:

石季英 - 副教授 - 天津大学