[科普中国]-运算放大器

运算放大器（简称“运放”）是具有很高放大倍数的电路单元。在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。它是一种带有特殊耦合电路及反馈的放大器。其输出信号可以是输入信号加、减或微分、积分等数学运算的结果。1

由于早期应用于模拟计算机中，用以实现数学运算，故得名“运算放大器”。运放是一个从功能的角度命名的电路单元，可以由分立的器件实现，也可以实现在半导体芯片当中。随着半导体技术的发展，大部分的运放是以单芯片的形式存在。运放的种类繁多，广泛应用于电子行业当中。2

简介运算放大器是一个内含多级放大电路的电子集成电路，其输入级是差分放大电路，具有高输入电阻和抑制零点漂移能力；中间级主要进行电压放大，具有高电压放大倍数，一般由共射极放大电路构成；输出极与负载相连，具有带载能力强、低输出电阻特点。运算放大器的应用非常广泛。3

原理运放如图有两个输入端a（反相输入端），b（同相输入端）和一个输出端o。也分别被称为倒向输入端非倒向

输入端和输出端。当电压U-加在a端和公共端（公共端是电压为零的点，它相当于电路中的参考结点。）之间，且其实际方向从a 端高于公共端时，输出电压U实际方向则自公共端指向o端，即两者的方向正好相反。当输入电压U+加在b端和公共端之间，U与U+两者的实际方向相对公共端恰好相同。为了区别起见，a端和b 端分别用"-"和"+"号标出，但不要将它们误认为电压参考方向的正负极性。电压的正负极性应另外标出或用箭头表示。反转放大器和非反转放大器如下图：2

一般可将运放简单地视为：具有一个信号输出端口（Out）和同相、反相两个高阻抗输入端的高增益直接耦合电压放大单元，因此可采用运放制作同相、反相及差分放大器。2

运放的供电方式分双电源供电与单电源供电两种。对于双电源供电运放，其输出可在零电压两侧变化，在差动输入电压为零时输出也可置零。采用单电源供电的运放，输出在电源与地之间的某一范围变化。2

运放的输入电位通常要求高于负电源某一数值，而低于正电源某一数值。经过特殊设计的运放可以允许输入电位在从负电源到正电源的整个区间变化，甚至稍微高于正电源或稍微低于负电源也被允许。这种运放称为轨到轨（rail-to-rail）输入运算放大器。2

运算放大器的输出信号与两个输入端的信号电压差成正比，在音频段有：输出电压=A0（E1-E2），其中，A0 是运放的低频开环增益（如 100dB，即 100000 倍），E1 是同相端的输入信号电压，E2 是反相端的输入信号电压。2

分类按照集成运算放大器的参数来分，集成运算放大器可分为如下几类。

通用型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μA741（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。它们是目前应用最为广泛的集成运算放大器。2

高阻型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>1GΩ~1TΩ，IB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LF355、LF347（四运放）及更高输入阻抗的CA3130、CA3140等。2

低温漂型在精密仪器、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。当前常用的高精度、低温漂运算放大器有OP07、OP27、AD508及由MOSFET组成的斩波稳零型低漂移器件ICL7650等。2

高速型在快速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、μA715等，其SR=50~70V/us,BWG>20MHz。2

低功耗型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50~250μA。目前有的产品功耗已达μW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。2

高压大功率型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，μA791集成运放的输出电流可达1A。2

可编程控制型在仪器仪表得使用过程中都会涉及到量程得问题.为了得到固定电压得输出，就必须改变运算放大器得放大倍数.例如：有一运算放大器得放大倍数为10倍，输入信号为1mv时，输出电压为10mv,当输入电压为0.1mv时，输出就只有1mv，为了得到10mv就必须改变放大倍数为100。程控运放就是为了解决这一问题而产生的。例如PGA103A，通过控制1,2脚的电平来改变放大的倍数。2

参数（1）共模输入电阻

该参数表示运算放大器工作在线性区时，输入共模电压范围与该范围内偏置电流的变化量之比。4

（2）直流共模抑制

该参数用于衡量运算放大器对作用在两个输入端的相同直流信号的抑制能力。4

（3）交流共模抑制

CMRAC用于衡量运算放大器对作用在两个输入端的相同交流信号的抑制能力，是差模开环增益除以共模开环增益的函数。4

（4）增益带宽积

增益带宽积是一个常量，定义在开环增益随频率变化的特性曲线中以-20dB/十倍频程滚降的区域。4

（5）输入偏置电流

该参数指运算放大器工作在线性区时流入输入端的平均电流。4

（6）偏置电流温漂

该参数代表输入偏置电流在温度变化时产生的变化量。TCIB通常以pA/°C为单位表示。4

（7）输入失调电流

该参数是指流入两个输入端的电流之差。4

（8）输入失调电流温漂（TCIOS)

该参数代表输入失调电流在温度变化时产生的变化量。TCIOS通常以pA/°C为单位表示。4

（9）差模输入电阻

该参数表示输入电压的变化量与相应的输入电流变化量之比，电压的变化导致电流的变化。在一个输入端测量时，另一输入端接固定的共模电压。4

（10）输出阻抗

该参数是指运算放大器工作在线性区时，输出端的内部等效小信号阻抗。4

（11）输出电压摆幅

该参数是指输出信号不发生箝位的条件下能够达到的最大电压摆幅的峰峰值，VO一般定义在特定的负载电阻和电源电压下。4

（12）功耗

表示器件在给定电源电压下所消耗的静态功率，Pd通常定义在空载情况下。4

（13）电源抑制比

该参数用来衡量在电源电压变化时运算放大器保持其输出不变的能力，PSRR通常用电源电压变化时所导致的输入失调电压的变化量表示。4

（14）转换速率

该参数是指输出电压的变化量与发生这个变化所需时间之比的最大值。SR通常以V/µs为单位表示，有时也分别表示成正向变化和负向变化。4

（15）电源电流

该参数是在指定电源电压下器件消耗的静态电流，这些参数通常定义在空载情况下。4

（16）单位增益带宽

该参数指开环增益大于1时运算放大器的最大工作频率。4

（17）输入失调电压

该参数表示使输出电压为零时需要在输入端作用的电压差。4

（18）输入失调电压温漂（TCVOS)

该参数指温度变化引起的输入失调电压的变化，通常以uV/°C为单位表示。4

（19）输入电容

CIN表示运算放大器工作在线性区时任何一个输入端的等效电容（另一输入端接地）。4

（20）输入电压范围

该参数指运算放大器正常工作（可获得预期结果）时，所允许的输入电压的范围，VIN通常定义在指定的电源电压下。4

（21）输入电压噪声密度（eN)

对于运算放大器，输入电压噪声可以看作是连接到任意一个输入端的串联噪声电压源，eN通常以 nV / 根号Hz 为单位表示，定义在指定频率。4

（22）输入电流噪声密度（iN)

对于运算放大器，输入电流噪声可以看作是两个噪声电流源，连接到每个输入端和公共端，通常以 pA / 根号Hz 为单位表示，定义在指定频率。4

（23）理想运算放大器参数

差模放大倍数、差模输入电阻、共模抑制比、上限频率均无穷大；输入失调电压及其温漂、输入失调电流及其温漂，以及噪声均为零。4

型号命名运算放大器的国际统一型号命名法如下：型号由字母和阿拉伯数字两部分组成．字母在首部，采用CF两个字母，C表示符合国际标准，F表示线性放大器。其后部的阿拉伯数字表示运算放大器的类型。例如：通用运算放大器( F003、F007、F030)、高速运算放大器(F051B)、高精度运算放大器(F714)、高阻抗运算放大器(CF072)、低功耗运算放大器( F010)、双运算放大器(CF358)以及四运算放大器(CF324)等。其中最典型、最普及的为F007（国外型号为tLA741、t1PC741）和CF324（国外型号为LM324）。5

集成运算放大器的选择和使用集成运算放大器类别、品种很多，应根据实际使用要求合理选择，规范使用。5

(1)尽量选用通用型集成运算放大器。当一个系统中使用多个运算放大器时，尽可能选用多运算放大器集成电路，例如LM324、LF347等都是将4个运算放大器封装在一起的集成电路。5

(2)实际选择集成运算放大器时，还要考虑信号源的性质（是电压源还是电流源）、负载的性质、集成运算放大器输出电压和电流是否满足要求、环境条件，集成运算放大器允许工作范围、工作电压范围、功耗与体积等因素是否满足要求。例如：对于放大音频、视频等交流信号的电路，选用转换速率大的运算放大器比较合适；对于处理微弱直流信号的电路，选用精度比较高的运算放大器比较合适（即失调电流、失调电压及温漂均比较小）。5

(3)使用前要了解集成运算放大器的类别及电参数，弄清楚封装形式、外引线排法、引脚接线、供电电压范围等。5

(4)消振网络应按要求接好，在能消振的前提下兼顾带宽。

(5)集成运算放大器是电子电路的核心，为了减少损坏，应采取适当的保护措施。5

本词条内容贡献者为:

孙锐 - 教授 - 合肥工业大学