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集成運算放大器基礎知識

集成運算放大器基礎知識

集成運算放大器簡稱為集成運放，進一步簡稱為運放.它除了能對信號進行加減乘除，微分積分，指數對數等運算之外，還能對信號進行整流濾波，放大限幅比較等處理，還能產生正弦、三角、鋸齒、多諧等振蕩波形。它已取代了絕大部分由分立元件構成的上述功能電路。

5.3.1 集成運放電路的組成

集成運放是一個高增益多級直接耦合的線性放大器，通常由輸入級、中間級、輸出級和偏置電路四部分組成，見圖5.15 。輸入級采用差動放大電路，實現抑制零點漂移，提高共模抑制比，和單端化輸出等功能。中間級采用有源負載，實現高增益放大功能。輸出級采用NPN和 PNP互補的甲乙類推挽輸出電路結構（下一章詳介）。實際上是射極輸出器，實現低阻輸出功能。偏置電路由各種電流源組成，為上述三部分電路提供偏置電流和用做有源負載。



集成運放有三種封裝。一為金屬帽狀或稱罐狀封裝，罐口引8、10、12根管腳。這種封裝顯得過時，現在很少采用。二為雙列直插陶瓷或塑料封裝，是目前用得最廣泛的一種，它需要在印刷電路板上打管腳孔 ，管腳焊在板的背面。三為雙列（貼片）封裝，主要用于超小形、微型設備中，印刷電路板采用雙面或多層板，管腳與印刷線路在同一側，用專用烙鐵，電風槍等工具焊上或取下集成塊。管腳的識別，要注意產品標志，例如突鍵、凹口、標志圓點等。最新出現的有錫球柵狀陣列封裝，引腳在集成電路底部。

集成運放的符號見圖5.16 ，圖(a)是常用符號，圖(b)是國家標準符號。

圖中標“＋”號的為同相輸入端，該端信號相位與輸出信號相位相同。圖中標“－”號的為反相輸入端，該端信號相位與輸出信號相位相反。



5.3.2 集成運放的主要參數

1.輸入偏置電流IiB

在給定測試溫度下（例如25℃），輸入信號為零時，兩輸入端的靜態電流的平均值，即IiB=?（IB1+IB2）越小，運放的輸入電阻越高，輸入失調電流愈小。



3.輸入失調電壓UI0及其溫漂

與Ii0相仿，在輸入端施加微量差模電壓，使得輸出電壓為零，此施加的電壓稱為輸入失調電壓UI0。同理將輸入失調電壓的變化量與對應的溫度變化量之比稱為輸入失調電壓溫漂，記作△Uio/△T4.最大差模輸入電壓Uidm

指運放兩輸入端之間允許輸入的最大電壓差，超過此電壓，輸入級某一側晶體管發射結可能出現反向擊穿，使輸入特性明顯惡化，甚至損壞集成電路，

5.最大共模輸入電壓Uicm

指運放所能承受的最大輸入共模電壓。超過此電壓，共模抑制比顯著下降，甚至出現“鎖死”現象，進而造成永久性損壞。

6.輸出電壓最大擺幅Uopp

指在標稱電源電壓和額定輸出電流條件下，輸出不產生明顯的削波或非線性失真，運放所提供的最大輸出電壓峰峰值。有時正、負峰大小不一致。

7.轉換速率SR



8.開環帶寬BW

指開環差模電壓增益下降3dB時所對應的頻率。

9.單位增益帶寬BWG

指開環差模電壓增益下降到0dB時所對應的頻率。

此外，還有差模電壓增益Aud、共模電壓增益Auc 、共模抑制比CMRR、差模輸入電阻Rid和輸出電阻R0等重要參數。



值得注意的是：

1.上述各種參數的獲得，是在一定的測試條件下進行的。不同的測試條件，獲得的參數值常常是不一樣的，有的相差甚大。測試條件通常有環境溫度、電源電壓、信號內阻、負載阻抗、測試信號動態范圍，以及測試電路結構等等。

2.集成電路制造商定給的參數有典型值，最大值和最小值。一般的設計采用典型值，高穩定高可靠的設計，就必須根據要求采用最小值或最大值。



5.3.3 集成運放的類型

集成運放分通用型和專用型兩大類，通用型的典型產品uA741，中國型號為F007，它的差模增益達100dB，單位增益帶寬為1MHz，專用型的有如下幾種：

1.高輸入阻抗型

一般要求差模輸入阻抗不小于1010Ω，輸入級采用結型或MOS型場效應管。它的典型產品是CA3130，中國產品為5G28。該集成電路主要用于跨接式測量儀器儀表拾取微弱信號，采樣一保持電路等。

2.低功耗型

一般要求功耗小于6mW。該類集成運放主要用于便攜式測量儀器儀表和通信設備，即使用在電池供電的場合。它的典型產品有 PC253、

FO11、F012、F013、FC54、XFC-75等。

3.低漂移型

一般要求ΔUi0/ΔT≤2V/℃，CMRR＞110dB，該類集成運算又稱高精度型，主要用于微弱信號的精密檢測和精密運算。它的典型產品有 A725、FC72、F714等。

4.高速型

一般要求在Auf =1時的轉換速度SR＞40V/ S,該類集成運放主要用于高速采樣一保持，高速積分，寬帶電視放大、A/D、D/A轉換器等，它的典型產品有F318、F715、F772、4E321等，此外還有超高SR=1000V / S的F3554。

5.寬帶型

一般要求，在小信號工作時單位增益帶寬BWG＞10MHz，在大信號工作時，要求閉環增益帶寬乘積G.B＞100MHz或功率帶寬BWP＞300KHz，該類集成電路主要用于測量放大、寬帶視頻放大、中頻放大、有源濾波器等。其典型產品有F507、F1520系列、F733系列、XFC-79等。

6.高壓型

一般要求最大電源電壓US≥±28V以上，輸出電壓峰峰值UOPP≥±20V以上，該類集成運放主要用于高共模電壓下的測量放大器，大功率音頻放大器，驅動高電壓的浮動負載（平衡負載），其典型產品有F1536 、F143/F343、BG315等。此外還有超高壓UOPP ＝±140V的F3583 。

7.其他專用集成運算

(1) 跨導型運放將輸入電壓轉換成輸出電流，典型產品有LM3080，

(2) 程控型運放是運放的偏置電流置于外部的控制下，以決定該運放處于工作狀態，還是截止狀態。典型產品有LM4250、LM146、MC14573、MC14575等。

(3) 電流型運放，也稱諾頓放大器，它實現對輸入電流進行放大功能。該電路用于放大緩沖，有源濾波，波型發生，邏輯轉換等，主要產品有MC3301、MC3401、LM1900、LM3900等。

(4) 集成電壓跟隨器，是專門設計的電壓跟隨器，其輸入阻抗高，轉換速率快，輸出阻抗低，電路無外接元件等，用于阻抗變換、緩沖、取樣—保持、有源濾波、峰值檢測等電路，典型產品有F102和F110等。