運算放大器的作用是調(diào)節(jié)和放大模擬信�,它是用途十分廣泛的器件,接入適�(dāng)?shù)姆答伨W(wǎng)�(luò),可用作精密的交流和直流放大器、有�濾波��振蕩�及電�比較�。其�(yīng)用領(lǐng)域已�(jīng)延伸到汽車電�、通信、消費等各個領(lǐng)域,并將在支持未來技�(shù)方面扮演重要角色�
個使用真空管�(shè)計的放大器大約在1930年前後完�,這個放大器可以�(zhí)行加與減的工��
運算放大器最早被�(shè)計出來的目的是用來�(jìn)行加、減、微�、積分的類比�(shù)�(xué)運算,因此稱為運算放大器[1]。同時它也成為實�(xiàn)模擬計算機(analog computer)的基本建構(gòu)單元。然�,理想運算放大器的在電路系統(tǒng)�(shè)計上的用途卻�(yuǎn)超過加減等的計算。今日的運算放大器,無論是使用電晶體(transistor)或真空管(vacuum tube�、分立式(discrete)元件或積體電路(integrated circuits)元�,運算放大器的效能都已經(jīng)逐漸接近理想運算放大器的要求。最早期的運算放大器是使用真空管�(shè)�,現(xiàn)在則多半是積體電路式的元�,但是如果系�(tǒng)對於放大器的需求超出積體電路放大器的能力時,也會利用分立式元件來實�(xiàn)這些特殊�(guī)格的運算放大��
以DIP-8型式封裝的積體電路運算放大器1960年代晚期,仙童半�(dǎo)體(Fairchild Semiconductor)推出了個被廣泛使用的積體電路運算放大器,型號為μA709,設(shè)計者則是鮑伯·韋勒(Bob Widlar�。但�709很快地被隨後而來的新�(chǎn)品μA741取代�741有著更好的效�,更為穩(wěn)�,也更容易使用�741運算放大器成了微電子工業(yè)�(fā)展歷史上一個的象徵,歷�(jīng)了數(shù)十年的演�(jìn)仍然沒有被取代,很多積體電路的制造商至今仍然在生�(chǎn)741,而且在元件的型號上一定會加上�741」以資區(qū)別。但事實上後來仍有很多效能比741更好的運算放大器出現(xiàn),利用新的半�(dǎo)體元�,如1970年代的場效電晶體(FET)或�1980年代早期的金氧半場效電晶體(MOSFET)等。這些元件常常能直接使用在741的電路架�(gòu)�,而獲得更好的效能�
通常運算放大器的�(guī)格都會有�(yán)格的限制,而封裝和對電源供�(yīng)的需求也已經(jīng)�(biāo)�(zhǔn)�。通常只需要少量的外接元件(external devices),運算放大器就能執(zhí)行各種不同的類比訊號處理任務(wù)。在售價方面,雖然今日的�(biāo)�(zhǔn)型或是一般用途(general purpose)運算放大器因為需求量及產(chǎn)量皆大的緣故而跌至一元美金以下,但是特殊用途的運算放大器售價仍然有可能是泛用型的一百倍以��
運算放大器按參數(shù)可分為如下幾類�
1.通用型運算放大器:就是以通用為目的而設(shè)計的。這類器件的主要特點是價格低廉、產(chǎn)品量大面�,其性能指標(biāo)能適合于一般性使��
2.低溫漂型運算放大器:在精密儀�、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(diào)電壓要小且不隨溫度的變化而變�。低溫漂型運算放大器就是為此而設(shè)計的�
3.高阻型運算放大器:特點是差模輸入阻抗非常高,輸入偏置電流非常�,一般rid�1GΩ~1TΩ,IB為幾皮安到幾十皮�。實�(xiàn)這些指標(biāo)的主要措施是利用場效�(yīng)管高輸入阻抗的特�,用場效應(yīng)管組成運算放大器的差分輸入級�
4.高速型運算放大器:在快速A/D和D/A�(zhuǎn)換器、視頻放大器�,要求集成運算放大器的�(zhuǎn)換速率SR一定要�,單位增益帶寬BWG一定要足夠�,像通用型集成運放是不能適合于高速應(yīng)用的場合的。高速型運算放大器主要特點是具有高的�(zhuǎn)換速率和寬的頻率響�(yīng)�
5.低功耗型運算放大器:由于電子電路集成化的�(yōu)點是能使�(fù)雜電路小型輕�,所以隨著便攜式儀器應(yīng)用范圍的擴大,必須使用低電源電壓供�、低功率消耗的運算放大器相適用�
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�。在普通的運算放大器中,輸出電壓的值一般僅幾十�,輸出電流僅幾十毫�。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��
7.可編程控制運算放大器:在儀器儀表得使用過程中都會涉及到量程得問�.為了得到固定電壓得輸�,就必須改變運算放大器得放大倍數(shù).
運算放大器必須具備下列特性:無限大的輸入阻抗、等于零的輸出阻�、無限大的開回路增益、無限大的共模排斥比的部�、無限大的頻�。一個運算放大器模組一般包括一個正輸入�(OP[_]P)、一個負(fù)輸入�(OP[_]N)和一個輸出端(OP[_]O)。通常使用運算放大器時,會將其輸出端與其反相輸入端連接,形成一�(fù)反饋組態(tài)。原因是運算放大器的電壓增益非常大,范圍從數(shù)百至�(shù)萬倍不�,使用負(fù)反饋方可保證電路的穩(wěn)定運作。但是這并不代表運算放大器不能連接成正回饋,相反地,在很多需要產(chǎn)生震蕩訊號的系統(tǒng)�,正回饋組態(tài)的運算放大器是很常見的組成元��
理想運放各項技�(shù)指標(biāo)具體如下�
1.開�(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aod = ��
2.輸入電阻Rid = ∞;輸出電阻Rod =0
3.輸入偏置電流IB1=IB2=0�
4.失�(diào)電壓UIO 、失�(diào)電流IIO 、失�(diào)電壓溫漂 、失�(diào)電流溫漂 均為��
5.共模抑制比CMRR = ��
6�-3dB帶寬fH = ��
7.無�(nèi)部干擾和噪聲�
實際運放的參�(shù)�(dá)到如下水平即可以按理想運放對待:
電壓放大倍數(shù)�(dá)�104�105�;輸入電阻達(dá)�105Ω;輸出電阻小于幾百歐�� 外電路中的電流遠(yuǎn)大于偏置電流;失�(diào)電壓、失�(diào)電流及其溫漂很小,造成電路的漂移在允許范圍之內(nèi),電路的�(wěn)定性符合要求即�;輸入最小信號時,有一定信噪比,共模抑制比大于等于60dB;帶寬符合電路帶寬要求即��
運算放大器常見的�(yīng)用包括數(shù)字示波器和自動測試裝�、視頻和圖像計算機板�、醫(yī)療儀器、電視廣播設(shè)�、航行器用顯示器和航空運輸控制系�(tǒng)、汽車傳感器、計算機工作站和無線基站�
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