运算放大器

发展史

　　个使用真空管设计的放大器大约在1930年前後完成，这个放大器可以执行加与减的工作。

　　运算放大器最早被设计出来的目的是用来进行加、减、微分、积分的类比数学运算，因此称为运算放大器[1]。同时它也成为实现模拟计算机（analog computer）的基本建构单元。然而，理想运算放大器的在电路系统设计上的用途却远超过加减等的计算。今日的运算放大器，无论是使用电晶体（transistor）或真空管（vacuum tube）、分立式（discrete）元件或积体电路（integrated circuits）元件，运算放大器的效能都已经逐渐接近理想运算放大器的要求。最早期的运算放大器是使用真空管设计，现在则多半是积体电路式的元件，但是如果系统对於放大器的需求超出积体电路放大器的能力时，也会利用分立式元件来实现这些特殊规格的运算放大器。

　　以DIP-8型式封装的积体电路运算放大器1960年代晚期，仙童半导体（Fairchild Semiconductor）推出了个被广泛使用的积体电路运算放大器，型号为μA709，设计者则是鲍伯·韦勒（Bob Widlar）。但是709很快地被随後而来的新产品μA741取代，741有着更好的效能，更为稳定，也更容易使用。741运算放大器成了微电子工业发展历史上一个的象徵，历经了数十年的演进仍然没有被取代，很多积体电路的制造商至今仍然在生产741，而且在元件的型号上一定会加上「741」以资区别。但事实上後来仍有很多效能比741更好的运算放大器出现，利用新的半导体元件，如1970年代的场效电晶体（FET）或是1980年代早期的金氧半场效电晶体（MOSFET）等。这些元件常常能直接使用在741的电路架构中，而获得更好的效能。

　　通常运算放大器的规格都会有严格的限制，而封装和对电源供应的需求也已经标准化。通常只需要少量的外接元件（external devices），运算放大器就能执行各种不同的类比讯号处理任务。在售价方面，虽然今日的标准型或是一般用途（general purpose）运算放大器因为需求量及产量皆大的缘故而跌至一元美金以下，但是特殊用途的运算放大器售价仍然有可能是泛用型的一百倍以上。

种类

　　运算放大器按参数可分为如下几类。

　　1．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。

　　2．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。

　　3．高阻型运算放大器：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。

　　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。

　　5．低功耗型运算放大器：由于电子电路集成化的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。

　　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。

　　7.可编程控制运算放大器：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.

原理

　　运算放大器必须具备下列特性：无限大的输入阻抗、等于零的输出阻抗、无限大的开回路增益、无限大的共模排斥比的部分、无限大的频宽。一个运算放大器模组一般包括一个正输入端(OP[_]P)、一个负输入端(OP[_]N)和一个输出端(OP[_]O)。通常使用运算放大器时，会将其输出端与其反相输入端连接，形成一负反馈组态。原因是运算放大器的电压增益非常大，范围从数百至数万倍不等，使用负反馈方可保证电路的稳定运作。但是这并不代表运算放大器不能连接成正回馈，相反地，在很多需要产生震荡讯号的系统中，正回馈组态的运算放大器是很常见的组成元件。

特性参数

　　理想运放各项技术指标具体如下：

　　1．开环差模电压放大倍数Aod = ∞；

　　2．输入电阻Rid = ∞；输出电阻Rod =0

　　3．输入偏置电流IB1=IB2=0；

　　4．失调电压UIO 、失调电流IIO 、失调电压温漂 、失调电流温漂 均为零；

　　5．共模抑制比CMRR = ∞；

　　6．-3dB带宽fH = ∞；

　　7．无内部干扰和噪声。

　　实际运放的参数达到如下水平即可以按理想运放对待：

　　电压放大倍数达到104～105倍；输入电阻达到105Ω；输出电阻小于几百欧姆； 外电路中的电流远大于偏置电流；失调电压、失调电流及其温漂很小，造成电路的漂移在允许范围之内，电路的稳定性符合要求即可；输入最小信号时，有一定信噪比，共模抑制比大于等于60dB；带宽符合电路带宽要求即可。

应用

　　运算放大器常见的应用包括数字示波器和自动测试装置、视频和图像计算机板卡、医疗仪器、电视广播设备、航行器用显示器和航空运输控制系统、汽车传感器、计算机工作站和无线基站。