2运算放大器基础.pdf

运算放大器基础 1.从晶体管放大电路到集成运算放大器 放大电路起源于真空管，最开始的放大器主要是低频放大器、中频放大器和高频放大 器，用于无线电通信系统和音响系统。其中低频放大器电路结构和晶体管放大器基本相同， 都是用最简单的电路实现交流放大功能，且这些电路对放大器增益的缓慢变化或漂移并没有 很高的要求，只需要简单的直流偏置电路就可以满足要求。 在实际应用中，晶体管放大器也存在较多问题。无法达到最大动态电压范围；由于晶 体管β值的偏差，导致生产难度的加大和放大电路增益的偏差。由于晶体管自身非线性特性 导致的晶体管放大器的非线性失真，对于高保真音频放大器来说是难于接受的，需要有效抑 制晶体管自身的非线性，使得非线性失真降低到允许值，这是简单的晶体管放大电路很难做 到的。同时，由于晶体管共射电路的电流增益是随温度变化的，简单的交流放大器的增益还 是会有随着温度的变化发生变化。交流放大器的隔直功能使得交流放大器无法用于信号缓慢 变化的场合，是晶体管交流放大器放大直流或慢变信号及其复杂。 简单的晶体管放大电路对共模干扰没有抑制能力，即使使用差分放大器电路，只要β等晶体 管参数稍有差异，其共模抑制能力就会降低。晶体管放大电路也很难实现运算电路。综上， 为了获得性能优良的放大电路，有必要对其引入负反馈。 负反馈可以有效的抑制因放大器开环增益变化对闭环增益的影响，也可以有效的抑制 晶体管参数漂移的影响，还可以有效的抑制晶体管费线性造成的非线性失真，从而获得放大 器的稳定性和改善性能。但要想应用负反馈展宽放大器带宽几乎是不可能的，除非引入负反 馈后的放大器开环就具有这样的宽度。 集成运算放大器是在分立元件放大器的基础上，将各个晶体管制作在同一芯片内，同 时根据集成电路制造工艺的特点，将分立元件的电路单元性能优化。集成运算放大器的性能 非常接近于理想运算放大器的特性，很容易实现几乎理想的电路参数气性能。集成运算放大 器可以完成几乎所有的模拟电路功能，不管是线性还是非线性的电路。 2.运算放大器的发展及其分类 运算放大器是在 1947 年由 John.R Ragazzini 命名的，简称 op amp 。早期的运算放大器是 用真空管实现的，笨重、耗电大且昂贵。双极性结型晶体管（BJT ）的出现，是运算放大器 的第一次显著小型化。上世纪 60 年代，仙童半导体公司研制成第一代集成电路（IC ）运算 放大器，并在 60 年代末推出第一代集成运放 μA741 ；从此各种系列的集成运放迅猛发展。 按照功能/性能分类，模拟运算放大器一般可分为通用运放、低功耗运放、精密运放、 高输入阻抗运放、高速运放、宽带运放、高压运放，另外还有一些特殊运放，例如程控运放、 电流运放、电压跟随器等等。根据运放的供电方式，也分为单电源供电和双电源供电运放。 实际上为了满足应用需要，运放种类极多；随着技术的进步，上述分类的门槛一直在变化。 例如以前的 LM108 最初是归入精密运放类，现在只能归入通用运放了。另外，有些运放同 时具有低功耗和高输入阻抗，或者与此类似，这样就可能同时归入多个类中。下面对各种类 型的运算放大器进行简单说明。 （1）通用型 通用运放实际就是具有最基本功能的最廉价的运放，是运算放大器的第三代产品。其 第一代为早期型产品，是运算放大器的雏形；第二代运算放大器除了需要外部补偿外，基本 参数与通用型集成运算放大器基本相同，但是其外部补偿电路是一个难点；第三代通用型集 成运算放大器的主要特点是外部电路简单，在不考虑输出调零的情况下，完全不需要外部补 偿电路。在众多集成运算放大器中，通用型集成运算放大器是目前最便宜的，型号众多，其 典型型号有单运算放大器 LM741 、双运算放大器LM1458 、四运算放大器LM324 。 123 (2) 高精度或精密型 由于通用型集成运算放大器的增益不是很高，通常为20000 倍（86dB ）最小开环增益； 在一些需要精度运算的场合，其性能不能满足要求，因此需要高精度或精密型运算放大器。 而高精度或紧密型运算放大器是一种高增益、高共模抑制比、极低失调电压、极低失 调电流、极低输入偏置电流、极高输入阻抗、极低温度漂移的集成运算放大器;精密运放主 要用于对放大处理精度有要求的地方，例如自控仪表等等。 以早期的高精度或精密