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集成运算放大器是由多级直接耦合放大电路组成

时间:2022-08-26 11:26来源:未知 作者:admin 点击:
集成 运算放大器 (In te grated Opera TI onal Ampl if ier)简称集成运放,是由多级直接耦合放大电路组成的高增益模拟 集成电路 。 自从1964年美国仙童公司研制出第一个单片集成运算放大器

集成运算放大器(Integrated OperaTIonal Amplifier)简称集成运放,是由多级直接耦合放大电路组成的高增益模拟集成电路

自从1964年美国仙童公司研制出第一个单片集成运算放大器μA702以来,集成运算放大器得到了广泛的应用,它已成为线性集成电路中品种和数量最多的一类。

国标统一命名法规定,集成运算放大器各个品种的型号有字母和阿拉伯数字两大部分组成。字母在首部,统一采用CF两个字母,C表示国标,F表示线性放大器,其后的数字表示集成运算放大器的类型。

它的增益高(可达60~180dB),输入电阻大(几十千欧至百万兆欧),输出电阻低(几十欧),共模抑制比高(60~170dB),失调与飘移小,而且还具有输入电压为零时输出电压亦为零的特点,适用于正,负两种极性信号的输入和输出。

模拟集成电路一般是由一块厚约0.2~0.25mm的P型硅片制成,这种硅片是集成电路的基片。基片上可以做出包含有数十个或更多的BJT或FET、电阻和连接导线的电路。

运算放大器除具有+、-输入端和输出端外,还有+、-电源供电端、外接补偿电路端、调零端、相位补偿端、公共接地端及其他附加端等。它的闭环放大倍数取决于外接反馈电阻,这给使用带来很大方便  。

集成运算放大器是一种具有高电压放大倍数的直接耦合放大器,主要由输入、中间、输出三部分组成。输入部分是差动放大电路,有同相和反相两个输入端;前者的电压变化和输出端的电压变化方向一致,后者则相反。中间部分提供高电压放大倍数,经输出部分传到负载。它的引出端子和功能如图所示。其中调零端外接电位器,用来调节使输入端对地电压为零(或某一预定值)时,输出端对地电压也为零(或另一个预定值)。补偿端外接电容器或阻容电路,以防止工作时产生自激振荡(有些集成运算放大器不需要调零或补偿)。供电电源通常接成对地为正或对地为负的形式,而以地作为输入、输出和电源的公共端。

表征集成运算放大器性能的参数有30多个,常用的有以下10种。

1、开环差模电压放大倍数:简称开环增益,表示运算放大器本身的放大能力。一般为50 000~200 000倍。

2、输入失调电压:表示静态时输出端电压偏离预定值的程度。一般为2~10mV(折合到输入端)。

3、单位增益带宽:表示差模电压放大倍数下降到1时的频率。一般在1MHz左右。

4、转换速率(又称压摆率):表示运算放大器对突变信号的适应能力。一般在0.5V/μs左右。

5、输出电压和电流:表示运放的输出能力。一般输出电压峰值至峰值要比电源电压低1~3V,短路电流在25mA左右。

6、静态功耗:表示无信号条件下运放的耗电程度。当电源电压为±15V时,静态功耗双极型晶体管一般为50~100mW,场效应管一般为1mW。

7、输入失调电压温度系数:表示温度变化对失调电压的影响。一般为3~5μV/℃(折合到输入端)。

8、输入偏置电流:表示输入端向外界索取电流的程度。双极型晶体管一般为80~500nA,场效应管一般为1nA。

9、输入失调电流:表示流经两个输入端电流的差别。双极型晶体管一般为20~200nA,场效应管一般小于1nA。

10、共模抑制比:表示运放对差模信号的放大倍数和对共模信号放大倍数之比。一般为70~90dB  。

按照集成运算放大器的参数分类

1、通用型运算放大器

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。例mA741(单运放)、LM358(双运放)、LM324(四运放)及以场效应管为输入级的LF356 都属于此种。它们是应用最为广泛的集成运算放大器。

2、高阻型运算放大器

这类集成运算放大器的特点是差模输入阻抗非常高,输入偏置电流非常小,一般rid》(109~1012)W,IIB 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。用FET 作输入级,不仅输入阻抗高,输入偏置电流低,而且具有高速、宽带和低噪声等优点,但输入失调电压较大。常见的集成器件有LF356、LF355、LF347(四运放)及更高输入阻抗的CA3130、CA3140等。

3、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。常用的高精度、低温漂运算放大器有OP-07、OP-27、AD508及由MOSFET 组成的斩波稳零型低漂移器件ICL7650 等。

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。常见的运放有LM318、mA715 等,其SR=50~70V/ms,BWG》20MHz。

5、低功耗型运算放大器

由于电子电路集成化的最大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。常用的运算放大器有TL-022C、TL-060C 等,其工作电压为±2V~±18V,消耗电流为50~250mA。有的功耗已达微瓦级,例如ICL7600 的供电电源为1.5V,功耗为10mW,可采用单节电池供电。

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,输出电压的最大值一般仅几十伏,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。例如D41集成运放的电源电压可达±150V,uA791集成运放的输出电流可达1A。

按外型的封装样式分类

扁平式(即SSOP)

封装的芯片引脚之间距离很小,管脚很细,一般大规模或超大型集成电路都采用这种封装形式,其引脚数一般在100个以上。用这种形式封装的芯片必须采用SMD(表面安装设备技术)将芯片与主板焊接起来。采用S MD安装的芯片不必在主板上打孔,一般在主板表面上有设计好的相应管脚的焊点。将芯片各脚对准相应的焊点,即可实现与主板的焊接。用这种方法焊上去的芯片,如果不用专用工具是很难拆卸下来的。

PFP(PlasTIc Flat Package)方式封装的芯片与QFP方式基本相同。唯一的区别是QFP一般为正方形,而PFP既可以是正方形,也可以是长方形。

集成运算放大器是由多级直接耦合放大电路组成

扁平式

单列直插式(即SIP)

最适合焊接,DIY友的最爱,因为这种封装的管脚很长,很适合DIY焊接,且比较坚固,不易损坏。

集成运算放大器是由多级直接耦合放大电路组成

单列直插式

双列直插式(即DIP

应用最广泛、最多的封装形式。

绝大多数中小规模集成电路(IC)均采用这种封装形式,其引脚数一般不超过100个。采用DIP封装的CPU芯片有两排引脚,需要插入到具有DIP结构的芯片插座上。当然,也可以直接插在有相同焊孔数和几何排列的电路板上进行焊接。DIP封装的芯片在从芯片插座上插拔时应特别小心,以免损坏引脚。

使用DIP外型的以下好处:

1、适合在PCB(印刷电路板)上穿孔焊接,操作方便。

2、芯片面积与封装面积之间的比值较大,故体积也较大。

Intel系列CPU中8088就采用这种封装形式,缓存(Cache)和早期的内存芯片也是这种封装形式  。

双列直插式

1、集成运放的电源供给方式

集成运放有两个电源接线端+VCC和-VEE,但有不同的电源供给方式。对于不同的电源供给方式,对输入信号的要求是不同的。

(1)对称双电源供电方式

运算放大器多采用这种方式供电。相对于公共端(地)的正电源(+E)与负电源(-E)分别接于运放的+VCC和-VEE管脚上。在这种方式下,可把信号源直接接到运放的输入脚上,而输出电压的振幅可达正负对称电源电压。

(2)单电源供电方式

单电源供电是将运放的-VEE管脚连接到地上。此时为了保证运放内部单元电路具有合适的静态工作点,在运放输入端一定要加入一直流电位。此时运放的输出是在某一直流电位基础上随输入信号变化。对于交流放大器,静态时,运算放大器的输出电压近似为VCC/2,为了隔离掉输出中的直流成分接入电容C3。

2、集成运放的调零问题

由于集成运放的输入失调电压和输入失调电流的影响,当运算放大器组成的线性电路输入信号为零时,输出往往不等于零。为了提高电路的运算精度,要求对失调电压和失调电流造成的误差进行补偿,这就是运算放大器的调零。常用的调零方法有内部调零和外部调零,而对于没有内部调零端子的集成运放,要采用外部调零方法。

应从实际需要出发,不要盲目追求指标的先进性。

1、如无特殊要求,尽量选通用型和多运放;

2、要注意手册中给出的参数是在某一个特定条件下得出的,如条件改变,有些参数也要随着改变;

3、在实验阶段和工作环境复杂的场合,尽量选带有过压、过流、过热保护的型号

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