基本介紹
- 中文名：集成運算放大器
- 外文名：Integrated operational amplifier
- 學科：電子工程
- 領域：工程技術
簡介,組成,參數,分類,按照集成運算放大器的參數分類,按外型的封裝樣式分類,使用要點,基本套用,選用,
簡介
自從1964年美國仙童公司研製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套用，它已成為線性積體電路中品種和數量最多的一類。
國標統一命名法規定，集成運算放大器各個品種的型號有字母和阿拉伯數字兩大部分組成。字母在首部，統一採用CF兩個字母，C表示國標，F表示線性放大器，其後的數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，適用於正，負兩種極性信號的輸入和輸出。
模擬積體電路一般是由一塊厚約0.2~0.25mm的P型矽片製成，這種矽片是積體電路的基片。基片上可以做出包含有數十個或更多的BJT或FET、電阻和連線導線的電路。
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、調零端、相位補償端、公共接地端及其他附加端等。它的閉環放大倍數取決於外接反饋電阻，這給使用帶來很大方便。
組成
集成運算放大器是一種具有高電壓放大倍數的直接耦合放大器，主要由輸入、中間、輸出三部分組成。輸入部分是差動放大電路，有同相和反相兩個輸入端；前者的電壓變化和輸出端的電壓變化方向一致，後者則相反。中間部分提供高電壓放大倍數，經輸出部分傳到負載。它的引出端子和功能如圖所示。其中調零端外接電位器，用來調節使輸入端對地電壓為零(或某一預定值)時，輸出端對地電壓也為零(或另一個預定值)。補償端外接電容器或阻容電路，以防止工作時產生自激振盪(有些集成運算放大器不需要調零或補償)。供電電源通常接成對地為正或對地為負的形式，而以地作為輸入、輸出和電源的公共端。
參數
表徵集成運算放大器性能的參數有30多個，常用的有以下10種。
1、開環差模電壓放大倍數：簡稱開環增益，表示運算放大器本身的放大能力。一般為50 000～200 000倍。
2、輸入失調電壓：表示靜態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、單位增益頻寬：表示差模電壓放大倍數下降到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，靜態功耗雙極型電晶體一般為50～100mW，場效應管一般為1mW。
7、輸入失調電壓溫度係數：表示溫度變化對失調電壓的影響。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。雙極型電晶體一般為80～500nA，場效應管一般為1nA。
9、輸入失調電流：表示流經兩個輸入端電流的差別。雙極型電晶體一般為20～200nA，場效應管一般小於1nA。
10、共模抑制比：表示運放對差模信號的放大倍數和對共模信號放大倍數之比。一般為70～90dB。
分類
按照集成運算放大器的參數分類
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、產品量大面廣，其性能指標能適合於一般性使用。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 都屬於此種。它們是套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、寬頻和低噪聲等優點，但輸入失調電壓較大。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，單位增益頻寬BWG一定要足夠大，像通用型集成運放是不能適合於高速套用的場合的。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回響。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
由於電子電路集成化的最大優點是能使複雜電路小型輕便，所以隨著攜帶型儀器套用範圍的擴大，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，可採用單節電池供電。
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。
按外型的封裝樣式分類
扁平式（即SSOP）
封裝的晶片引腳之間距離很小，管腳很細，一般大規模或超大型積體電路都採用這種封裝形式，其引腳數一般在100個以上。用這種形式封裝的晶片必須採用SMD（表面安裝設備技術）將晶片與主機板焊接起來。採用S MD安裝的晶片不必在主機板上打孔，一般在主機板表面上有設計好的相應管腳的焊點。將晶片各腳對準相應的焊點，即可實現與主機板的焊接。用這種方法焊上去的晶片，如果不用專用工具是很難拆卸下來的。
PFP（Plastic Flat Package）方式封裝的晶片與QFP方式基本相同。唯一的區別是QFP一般為正方形，而PFP既可以是正方形，也可以是長方形。
扁平式單列直插式（即SIP）
最適合焊接，DIY友的最愛，因為這種封裝的管腳很長，很適合DIY焊接，且比較堅固，不易損壞。
單列直插式雙列直插式（即DIP）
套用最廣泛、最多的封裝形式。
絕大多數中小規模積體電路(IC)均採用這種封裝形式，其引腳數一般不超過100個。採用DIP封裝的CPU晶片有兩排引腳，需要插入到具有DIP結構的晶片插座上。當然，也可以直接插在有相同焊孔數和幾何排列的電路板上進行焊接。DIP封裝的晶片在從晶片插座上插拔時應特別小心，以免損壞引腳。
使用DIP外型的以下好處：
1、適合在PCB(印刷電路板)上穿孔焊接，操作方便。
2、晶片面積與封裝面積之間的比值較大，故體積也較大。
Intel系列CPU中8088就採用這種封裝形式，快取(Cache)和早期的記憶體晶片也是這種封裝形式。
雙列直插式使用要點
1、集成運放的電源供給方式
集成運放有兩個電源接線端+VCC和-VEE，但有不同的電源供給方式。對於不同的電源供給方式，對輸入信號的要求是不同的。
（1）對稱雙電源供電方式
運算放大器多採用這種方式供電。相對於公共端（地）的正電源（+E）與負電源（-E）分別接於運放的+VCC和-VEE管腳上。在這種方式下，可把信號源直接接到運放的輸入腳上，而輸出電壓的振幅可達正負對稱電源電壓。
（2）單電源供電方式
單電源供電是將運放的-VEE管腳連線到地上。此時為了保證運放內部單元電路具有合適的靜態工作點，在運放輸入端一定要加入一直流電位。此時運放的輸出是在某一直流電位基礎上隨輸入信號變化。對於交流放大器，靜態時，運算放大器的輸出電壓近似為VCC/2，為了隔離掉輸出中的直流成分接入電容C3。
2、集成運放的調零問題
由於集成運放的輸入失調電壓和輸入失調電流的影響，當運算放大器組成的線性電路輸入信號為零時，輸出往往不等於零。為了提高電路的運算精度，要求對失調電壓和失調電流造成的誤差進行補償，這就是運算放大器的調零。常用的調零方法有內部調零和外部調零，而對於沒有內部調零端子的集成運放，要採用外部調零方法。
基本套用
1、差動輸入級 使運放具有儘可能高的輸入電阻及共模抑制比。
2、中間放大級 由多級直接耦合放大器組成，以獲得足夠高的電壓增益。
3、輸出級 可使運放具有一定幅度的輸出電壓、輸出電流和儘可能小的輸出電阻。在輸出過載時有自動保護作用以免損壞集成塊。輸出級一般為互補對稱推挽電路。
4、偏置電路為各級電路提供合適的靜態工作點。為使工作點穩定，一般採用恆流源偏置電路。
尺寸圖選用
應從實際需要出發，不要盲目追求指標的先進性。
1、如無特殊要求，儘量選通用型和多運放；
2、要注意手冊中給出的參數是在某一個特定條件下得出的，如條件改變，有些參數也要隨著改變；
3、在實驗階段和工作環境複雜的場合，儘量選帶有過壓、過流、過熱保護的型號。
