定義
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,适用于正,負兩種極性信号的輸入和輸出。
模拟集成電路一般是由一塊厚約0.2~0.25mm的P型矽片制成,這種矽片是集成電路的基片。基片上可以做出包含有數十個或更多的BJT或FET、電阻和連接導線的電路。
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于外接反饋電阻,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緻,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,以防止工作時産生自激振蕩(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
表征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50000~200000倍。
2)輸入失調電壓:表示靜态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)單位增益帶寬: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号的适應能力。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)靜态功耗:表示無信号條件下運放的耗電程度。當電源電壓為±15V時,靜态功耗雙極型晶體管一般為50~100mW,場效應管一般為1mW。
7)輸入失調電壓溫度系數: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。雙極型晶體管一般為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别。雙極型晶體管一般為20~200nA,場效應管一般小于1nA。
10)共模抑制比:表示運放對差模信号的放大倍數和對共模信号放大倍數之比。一般為70~90dB。
分類
按參數分類
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、産品量大面廣,其性能指
标能适合于一般性使用。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都屬于此種。它們是目前應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。實現這些指标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、寬帶和低噪聲等優點,
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、弱信号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随溫度的變化而變
化。低溫漂型運算放大器就是為此而設計的。目前常用的高精度、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,單位增益帶寬BWG
一定要足夠大,像通用型集成運放是不能适合于高速應用的場合的。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響應。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
由于電子電路集成化的最大優點是能使複雜電路小型輕便,所以随着便攜式儀器應用範圍的擴大,必須使用
低電源電壓供電、低功率消耗的運算放大器相适用。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。目前有的産品功耗已達微瓦級,例如ICL7600的供電電源為1.5V,
功耗為10mW,可采用單節電池供電。
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)
封裝的芯片引腳之間距離很小,管腳很細,一般大規模或超大型集成電路都采用這種封裝形式,其引腳數一般在100個以上。用這種形式封裝的芯片必須采用SMD(表面安裝設備技術)将芯片與主闆焊接起來。采用SMD安裝的芯片不必在主闆上打孔,一般在主闆表面上有設計好的相應管腳的焊點。将芯片各腳對準相應的焊點,即可實現與主闆的焊接。用這種方法焊上去的芯片,如果不用專用工具是很難拆卸下來的。
PFP(Plastic Flat Package)方式封裝的芯片與QFP方式基本相同。唯一的區别是QFP一般為正方形,而PFP既可以是正方形,也可以是長方形。
單列直插式(即SIP)
最适合焊接,DIY友的最愛,因為這種封裝的管腳很長,很适合DIY焊接,且比較堅固,不易損壞。
雙列直插式(即DIP)
應用最廣泛、最多的封裝形式。
絕大多數中小規模集成電路(IC)均采用這種封裝形式,其引腳數一般不超過100個。采用DIP封裝的CPU芯片有兩排引腳,需要插入到具有DIP結構的芯片插座上。當然,也可以直接插在有相同焊孔數和幾何排列的電路闆上進行焊接。
DIP封裝的芯片在從芯片插座上插拔時應特别小心,以免損壞引腳。
使用DIP外型的以下好處:
1.适合在PCB(印刷電路闆)上穿孔焊接,操作方便。
2.芯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就采用這種封裝形式,緩存(Cache)和早期的内存芯片也是這種封裝形式。
使用要點
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。對于不同的電源供給方式,對輸入信号的要求是不同的。
(1)對稱雙電源供電方式
運算放大器多采用這種方式供電。相對于公共端(地)的正電源(+E)與負電源(-E)分别接于運放的+VCC和-VEE管腳上。在這種方式下,可把信号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
單電源供電是将運放的-VEE管腳連接到地上。此時為了保證運放内部單元電路具有合适的靜态工作點,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随輸入信号變化。
調零問題
由于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号為零時,輸出往往不等于零。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。
常用的調零方法有内部調零和外部調零,而對于沒有内部調零端子的集成運放,要采用外部調零方法。
基本應用
1、差動輸入級使運放具有盡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、輸出電流和盡可能小的輸出電阻。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适的靜态工作點。為使工作點穩定,一般采用恒流源偏置電路。
選用
應從實際需要出發,不要盲目追求指标的先進性。
1)如無特殊要求,盡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,有些參數也要随着改變;
3)在實驗階段和工作環境複雜的場合,盡量選帶有過壓、過流、過熱保護的型号。