運(yùn)算器的歷史

第一個(gè)使用真空管設(shè)計(jì)的放大器大約在1930年前后完成，這個(gè)放大器可以執(zhí)行加與減的工作。

運(yùn)算放大器最早被設(shè)計(jì)出來(lái)的目的是將電壓類(lèi)比成數(shù)字，用來(lái)進(jìn)行加、減、乘、除的運(yùn)算，同時(shí)也成為實(shí)現(xiàn)模擬計(jì)算機(jī)(analog computer)的基本建構(gòu)方塊。然而，理想運(yùn)算放大器的在電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)上的用途卻遠(yuǎn)超過(guò)加減乘除的計(jì)算。今日的運(yùn)算放大器，無(wú)論是使用晶體管(transistor)或真空管(vacuum tube)、分立式(discrete)元件或集成電路(integrated circuits)元件，運(yùn)算放大器的效能都已經(jīng)逐漸接近理想運(yùn)算放大器的要求。早期的運(yùn)算放大器是使用真空管設(shè)計(jì)，現(xiàn)在則多半是集成電路式的元件。但是如果系統(tǒng)對(duì)于放大器的需求超出集成電路放大器的需求時(shí)，常常會(huì)利用分立式元件來(lái)實(shí)現(xiàn)這些特殊規(guī)格的運(yùn)算放大器。

放大器

1960年代晚期，仙童半導(dǎo)體(Fairchild Semiconductor)推出了第一個(gè)被廣泛使用的集成電路運(yùn)算放大器，型號(hào)為μA709，設(shè)計(jì)者則是鮑伯?韋勒(Bob Widlar)。但是709很快地被隨后而來(lái)的新產(chǎn)品μA741取代，741有著更好的性能，更為穩(wěn)定，也更容易使用。741運(yùn)算放大器成了微電子工業(yè)發(fā)展歷史上一個(gè)獨(dú)一無(wú)二的象征，歷經(jīng)了數(shù)十年的演進(jìn)仍然沒(méi)有被取代，很多集成電路的制造商至今仍然在生產(chǎn)741。直到今天μA741仍然是各大學(xué)電子工程系中講解運(yùn)放原理的典型教材。

運(yùn)算器的原理

運(yùn)放如上圖有兩個(gè)輸入端a(反相輸入端),b(同相輸入端)和一個(gè)輸出端o.也分別被稱(chēng)為倒向輸入端非倒向輸入端和輸出端.當(dāng)電壓加U-加在a端和公共端(公共端是電壓為零的點(diǎn),它相當(dāng)于電路中的參考結(jié)點(diǎn).)之間,且其實(shí)際方向從a 端高于公共端時(shí),輸出電壓U實(shí)際方向則自公共端指向o端,即兩者的方向正好相反.當(dāng)輸入電壓U+加在b端和公共端之間,U與U+兩者的實(shí)際方向相對(duì)公共端恰好相同.為了區(qū)別起見(jiàn),a端和b 端分別用"-"和"+"號(hào)標(biāo)出,但不要將它們誤認(rèn)為電壓參考方向的正負(fù)極性.電壓的正負(fù)極性應(yīng)另外標(biāo)出或用箭頭表示.反轉(zhuǎn)放大器和非反轉(zhuǎn)放大器如下圖：

運(yùn)算器原理圖

一般可將運(yùn)放簡(jiǎn)單地視為：具有一個(gè)信號(hào)輸出端口(Out)和同相、反相兩個(gè)高阻抗輸入端的高增益直接耦合電壓放大單元，因此可采用運(yùn)放制作同相、反相及差分放大器。

運(yùn)放的供電方式分雙電源供電與單電源供電兩種。對(duì)于雙電源供電運(yùn)放，其輸出可在零電壓兩側(cè)變化，在差動(dòng)輸入電壓為零時(shí)輸出也可置零。采用單電源供電的運(yùn)放，輸出在電源與地之間的某一范圍變化。

運(yùn)放的輸入電位通常要求高于負(fù)電源某一數(shù)值，而低于正電源某一數(shù)值。經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)的運(yùn)放可以允許輸入電位在從負(fù)電源到正電源的整個(gè)區(qū)間變化，甚至稍微高于正電源或稍微低于負(fù)電源也被允許。這種運(yùn)放稱(chēng)為軌到軌(rail-to-rail)輸入運(yùn)算放大器。

運(yùn)算放大器的輸出信號(hào)與兩個(gè)輸入端的信號(hào)電壓差成正比，在音頻段有：輸出電壓=A0(E1-E2)，其中，A0 是運(yùn)放的低頻開(kāi)環(huán)增益(如 100dB，即 100000 倍)，E1 是同相端的輸入信號(hào)電壓，E2 是反相端的輸入信號(hào)電壓。

運(yùn)算器的類(lèi)型

按照集成運(yùn)算放大器的參數(shù)來(lái)分,集成運(yùn)算放大器可分為如下幾類(lèi)。

1.通用型運(yùn)算放大器

通用型運(yùn)算放大器就是以通用為目的而設(shè)計(jì)的。這類(lèi)器件的主要特點(diǎn)是價(jià)格低廉、產(chǎn)品量大面廣,其性能指標(biāo)能適合于一般性使用。例μA741(單運(yùn)放)、LM358(雙運(yùn)放)、LM324(四運(yùn)放)及以場(chǎng)效應(yīng)管為輸入級(jí)的LF356都屬于此種。它們是目前應(yīng)用最為廣泛的集成運(yùn)算放大器。

運(yùn)算放大器

2.高阻型運(yùn)算放大器

這類(lèi)集成運(yùn)算放大器的特點(diǎn)是差模輸入阻抗非常高,輸入偏置電流非常小,一般rid>1GΩ~1TΩ,IB為幾皮安到幾十皮安。實(shí)現(xiàn)這些指標(biāo)的主要措施是利用場(chǎng)效應(yīng)管高輸入阻抗的特點(diǎn),用場(chǎng)效應(yīng)管組成運(yùn)算放大器的差分輸入級(jí)。用FET作輸入級(jí),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(diǎn),但輸入失調(diào)電壓較大。常見(jiàn)的集成器件有LF355、LF347(四運(yùn)放)及更高輸入阻抗的CA3130、CA3140等。

3.低溫漂型運(yùn)算放大器

在精密儀器、弱信號(hào)檢測(cè)等自動(dòng)控制儀表中,總是希望運(yùn)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(yùn)算放大器就是為此而設(shè)計(jì)的。目前常用的高精度、低溫漂運(yùn)算放大器有OP07、OP27、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(yùn)算放大器

在快速A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、視頻放大器中,要求集成運(yùn)算放大器的轉(zhuǎn)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(yùn)放是不能適合于高速應(yīng)用的場(chǎng)合的。高速型運(yùn)算放大器主要特點(diǎn)是具有高的轉(zhuǎn)換速率和寬的頻率響應(yīng)。常見(jiàn)的運(yùn)放有LM318、μA715等,其SR=50~70V/us,BWG>20MHz。

5.低功耗型運(yùn)算放大器

運(yùn)算放大器

由于電子電路集成化的最大優(yōu)點(diǎn)是能使復(fù)雜電路小型輕便,所以隨著便攜式儀器應(yīng)用范圍的擴(kuò)大,必須使用低電源電壓供電、低功率消耗的運(yùn)算放大器相適用。常用的運(yùn)算放大器有TL-022C、TL-060C等,其工作電壓為±2V~±18V,消耗電流為50~250μA。目前有的產(chǎn)品功耗已達(dá)μW級(jí),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(yùn)算放大器

運(yùn)算放大器的輸出電壓主要受供電電源的限制。在普通的運(yùn)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(yùn)放外部必須要加輔助電路。高壓大電流集成運(yùn)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(yùn)放的電源電壓可達(dá)±150V,μA791集成運(yùn)放的輸出電流可達(dá)1A。

7.可編程控制運(yùn)算放大器

在儀器儀表得使用過(guò)程中都會(huì)涉及到量程得問(wèn)題.為了得到固定電壓得輸出,就必須改變運(yùn)算放大器得放大倍數(shù).例如:有一運(yùn)算放大器得放大倍數(shù)為10倍,輸入信號(hào)為1mv時(shí),輸出電壓為10mv,當(dāng)輸入電壓為0.1mv時(shí),輸出就只有1mv,為了得到10mv就必須改變放大倍數(shù)為100.程控運(yùn)放就是為了解決這一問(wèn)題而產(chǎn)生得.例如PGA103A,通過(guò)控制1,2腳的電平來(lái)改變放大的倍數(shù).

運(yùn)算器的主要參數(shù)

1.共模輸入電阻(RINCM)

該參數(shù)表示運(yùn)算放大器工作在線(xiàn)性區(qū)時(shí)，輸入共模電壓范圍與該范圍內(nèi)偏置電流的變化量之比。

2.直流共模抑制(CMRDC)

該參數(shù)用于衡量運(yùn)算放大器對(duì)作用在兩個(gè)輸入端的相同直流信號(hào)的抑制能力。

3.交流共模抑制(CMRAC)

CMRAC用于衡量運(yùn)算放大器對(duì)作用在兩個(gè)輸入端的相同交流信號(hào)的抑制能力，是差模開(kāi)環(huán)增益除以共模開(kāi)環(huán)增益的函數(shù)。

4.增益帶寬積(GBW)

增益帶寬積AOL * ?是一個(gè)常量，定義在開(kāi)環(huán)增益隨頻率變化的特性曲線(xiàn)中以-20dB/十倍頻程滾降的區(qū)域。

5.輸入偏置電流(IB)

該參數(shù)指運(yùn)算放大器工作在線(xiàn)性區(qū)時(shí)流入輸入端的平均電流。

6.輸入偏置電流溫漂(TCIB)

該參數(shù)代表輸入偏置電流在溫度變化時(shí)產(chǎn)生的變化量。TCIB通常以pA/°C為單位表示。

7.輸入失調(diào)電流(IOS)

該參數(shù)是指流入兩個(gè)輸入端的電流之差。

8.輸入失調(diào)電流溫漂(TCIOS)

該參數(shù)代表輸入失調(diào)電流在溫度變化時(shí)產(chǎn)生的變化量。TCIOS通常以pA/°C為單位表示。

9.差模輸入電阻(RIN)

該參數(shù)表示輸入電壓的變化量與相應(yīng)的輸入電流變化量之比，電壓的變化導(dǎo)致電流的變化。在一個(gè)輸入端測(cè)量時(shí)，另一輸入端接固定的共模電壓。

10.輸出阻抗(ZO)

該參數(shù)是指運(yùn)算放大器工作在線(xiàn)性區(qū)時(shí)，輸出端的內(nèi)部等效小信號(hào)阻抗。

11.輸出電壓擺幅(VO)

該參數(shù)是指輸出信號(hào)不發(fā)生箝位的條件下能夠達(dá)到的最大電壓擺幅的峰峰值，VO一般定義在特定的負(fù)載電阻和電源電壓下。

12.功耗(Pd)

表示器件在給定電源電壓下所消耗的靜態(tài)功率，Pd通常定義在空載情況下。

13.電源抑制比(PSRR)

該參數(shù)用來(lái)衡量在電源電壓變化時(shí)運(yùn)算放大器保持其輸出不變的能力，PSRR通常用電源電壓變化時(shí)所導(dǎo)致的輸入失調(diào)電壓的變化量表示。

14.轉(zhuǎn)換速率/壓擺率(SR)

該參數(shù)是指輸出電壓的變化量與發(fā)生這個(gè)變化所需時(shí)間之比的最大值。SR通常以V/μs為單位表示，有時(shí)也分別表示成正向變化和負(fù)向變化。

15.電源電流(ICC、IDD)

該參數(shù)是在指定電源電壓下器件消耗的靜態(tài)電流，這些參數(shù)通常定義在空載情況下。

16.單位增益帶寬(BW)

該參數(shù)指開(kāi)環(huán)增益大于1時(shí)運(yùn)算放大器的最大工作頻率。

17.輸入失調(diào)電壓(VOS)

該參數(shù)表示使輸出電壓為零時(shí)需要在輸入端作用的電壓差。

18.輸入失調(diào)電壓溫漂(TCVOS)

該參數(shù)指溫度變化引起的輸入失調(diào)電壓的變化，通常以μV/°C為單位表示。

19.輸入電容(CIN)

CIN表示運(yùn)算放大器工作在線(xiàn)性區(qū)時(shí)任何一個(gè)輸入端的等效電容(另一輸入端接地)。

20.輸入電壓范圍(VIN)

該參數(shù)指運(yùn)算放大器正常工作(可獲得預(yù)期結(jié)果)時(shí)，所允許的輸入電壓的范圍，VIN通常定義在指定的電源電壓下。

21.輸入電壓噪聲密度(eN)

對(duì)于運(yùn)算放大器，輸入電壓噪聲可以看作是連接到任意一個(gè)輸入端的串聯(lián)噪聲電壓源，eN通常以 nV / 根號(hào)Hz 為單位表示，定義在指定頻率。

22.輸入電流噪聲密度(iN)

對(duì)于運(yùn)算放大器，輸入電流噪聲可以看作是兩個(gè)噪聲電流源，連接到每個(gè)輸入端和公共端，通常以 pA / 根號(hào)Hz 為單位表示，定義在指定頻率。

理想運(yùn)算放大器參數(shù)：差模放大倍數(shù)、差模輸入電阻、共模抑制比、上限頻率均無(wú)窮大;輸入失調(diào)電壓及其溫漂、輸入失調(diào)電流及其溫漂，以及噪聲均為零。

運(yùn)算放大器的應(yīng)用

運(yùn)算放大器是用途廣泛的器件，接入適當(dāng)?shù)姆答伨W(wǎng)絡(luò)，可用作精密的交流和直流放大器、有源濾波器、振蕩器及電壓比較器。