1、 1 毕业论文文献综述 电子信息工程 运算放大器研究综述 摘要： 文章从运算放大器的分类，运算放大器的基本放大形式等方面对运算放大器做了较为详细的介绍和比较，分析了各类放大器的基本特性和应用场合。通过比较，有助于电路设计师在实际应用中选择最合适自己的运算放大器和电路形式。 关键词： 运算放大器；正相放大器；反相放大器 1、 引言 运算放大器是一种高增益直接耦合放大器。当给它加上不同形式的反馈后，就可以完成加法、减法、积分、微分等数学运算、 信号的处理（滤波、调制）以及波形的产生和变换 。 由于早期应用于模拟计算机中，用以实现 数学运算，故得名 “运算放大器 ”，此名称一直延续至今。 尽管近几十
2、年来以大规模集成工艺为依托的各种数字电路的问世，逐渐替代了各种传统的模拟电路应用领域，但是正如 Analog Dvice 公司的广告一样，“ Analog is everywhere”，模拟无处不在。现实的物理世界是模拟的，与物理世界的各种现象的接口仍然需要靠模拟电路实现。即便在某一功能块中，模拟电路所占分量可能很少，但这一少部分或许是整个系统就设计和实现来说最具挑战性的部分，而且往往在系统性能上起着关键作用 1。 自上世纪 60 年代 仙童半导体（ Fairchild Semiconductor）推出了第一个被广泛使用的集成电路运算放大器 以来，由于其性能优越，使用方便，使得工业上许许多多的
3、测量技术有了突破性的发展 2。几十年来，不同行业的不同应用条件也对运算放大器提出了新的要求。比如在手持设备产品中，产品采用电池供电，要求器件的功耗很低；在视频和网络等应用中，要求运放具有高速宽频带的特性；在微小信号放大的应用中要求运放的噪声小，否则信号会淹没在噪声中 3。为此，各大 IC 设计厂家不断推出各种新型运放，以满足各种不同需求。 2、 运算放大器的分类 2.1 按参数 分 根据 运算放大器的 不同 参数 ，可将运算放大器分为 通用型运算放大器 和专用型运算放大器。专用型运算放大器又分为 高输入阻抗运算放大器 、 高精度运算放大器 、 低功耗运算放大器 、 高速 宽频带运算放大器 、
4、高压大功率型运算放大器 、 可编程控制运算放大器 和 轨对轨 运算放大器 等 4-5。 通用型运算放大器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2 大面广，其性能指标能适合于一般性使用 6。 高输入阻抗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。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 。 高精度集成运算放大器器的特点是失调电压小，温度漂移非常小，以及增益、共模抑制比非常高 7。 低功耗运算放大器工作时的电流非常小，电源电压也 比较 低，多用于便携式电子产品中。 高速 宽频带运算放大器 主要特点是具有高的
5、转换速率和宽的频率响应 。 通常，在小信号条件下用单位增益带宽来衡量，在大信号条件下用全功率带宽或用摆率来衡量。 高压大功率型运算放大器 在提供较高电压输出的同时，还能提供较大的电流，使得负载上得到较大的输出功率。 可编程控制运算放大器 的特点是可以通过改变控制端的电 平或电压就可改变放大倍数。 轨对轨 运算 放大器 特点是 输入和输出电压摆幅非常接近或几乎等于电源电压值 8。 2.2 按内部的结构分 运算放大器按其内部结构的不同 可 分可为电压反馈型 (VFB)运算放大器和电流反馈型 (CFB)运算放大器 9。 普通的运算放大器为电压反馈型 (VFB)运算放大器，放大器的 “+”、 “-”两
6、个输入端是晶体管的基极或 FET 的栅极。由于输入阻抗高，流入的电流非常小，反馈不是以电流的形式而是以电压形式进行，因此称为电压反馈型 (VFB) 运算放大器。其 同相和反相输人端阻抗基本相同 (均为高阻 )， 增 益带宽积为常数，当增益增大时，带宽就会减小 10。 电流反馈型 (CFB)运算放大器如图 1 所示，其 “+”端是增益为 1 的缓冲输入端， “-”端是其输出端，反馈不是以电压形式而是以电流的形式进行的，因此称为 电流反馈型 (CFB)运算放大器。 缓冲器的电流从 “-”端输出，通过一个叫跨阻抗放大器的将电流检出并进行 I-V转换，将这个输出电流转换成输出电压。 电流反馈型 (CF
7、B)运算放大器同相输入端为高阻抗，反相输入端为低阻抗，其带宽由反馈电阻 FR 决定。可以通过固定 FR 改变 GR 而改变增益，这样既能改变增益又不会影响到频率特性 11-12。通常电流反馈型 (CFB)运算放大器的数据手册会给出推荐的反馈电阻 FR 的阻值。 3 图 1 电流反馈型运算放大器 可见 电压反馈型 (VFB)运算放大器具有低噪声， 良好的 的直流特性 ， 适用于那些需要低调电压、低噪声的电路。而电流反馈型 (CFB)运算放大器则具适用于那些需要压摆率快、低失真和可设置增益而不影响带宽的电路 10。 3、 运算 放大器的闭环负反馈电路形式及比较 运算放大器在闭环负反馈工作状态下有两
8、种基本形式：反相放大器和正相放大器。 3.1 反相放大器 反相放大器电路如图 2 所示。输入信号通过 R1 加到运放的反相输入端， R1、 Rf构成反馈网络，Rf是反馈电阻。 图 2 反相放大器 由于开环增益 oA , U = U = 0, I = I = 0， 根据基尔霍夫定理 有 fifii IRUR UUI 1 ， 所以 ifffO URRRIU 1 。 从中我们可以看出 Uo和 iU 是比例关系，改变比例系数 1RRf ，即可改变 闭环 放大倍数。负号表示输出电压与输入电压极性相反。 反相放大器电路特点： （ 1）反相放大器由于存在 “虚地 ”，因此它的共模输入电压为零，即它对运算放大
9、器的共模抑制比要求低。 4 （ 2）输入电阻低： Ri=R1，因此对信号的负载能力有一定的要求。 （ 3）增益可以为小于 1，等于 1 或大于 14。 3.2 正相放大器 正相放大器电路如图 3 所示。输入信号加到运放的正相输入端， R1、 Rf构成反馈网络， 图 3 正相放大器 U = U = iU (虚短但不虚地 ), I = I = 0, of URRRU 1 1 所以 iffo URRUR RRU )11()11( 改 变比例系数 1RRf ，即可改变放大倍数。输出电压与输入电压极性相同。 正相放大器电路特点： （ 1）输入电阻高，理想状态下为无穷大。 （ 2）由于 U = U = i
10、U （电路的共模输入高），因此对运放的共模抑制比比较高。 （ 3）增益总是大于 1 或等于 1。 3.3 反相放大器和正相放大器的比较 反 相 放大器的优点是：不管有无输入信号，其两输入端电位始终近似为零。两输入端之间只有uV级的差动信号。而正 相 放大器因 U = U = iU ，在 iU 不为零 时 ，运放两输入端间除极小的差模信号外，还同时有较大的共模电压。运放虽有较高的共模抑制能力，但其共模放大倍数总是大于零的，多少会带来一些误差，这是正相放大器的缺点。所以在 不考虑极性和输入电阻的情况下，选择反相放大比较好。反相放大器的缺点是输入阻抗比较低， Ri=R1，放大倍数为 -Rf/R1，
11、当要求放大器输入电阻较大，且放大倍数比较高的情况下， R1 的取值会很大， Rf的值更大，而在运放电路中，通常不希望使用这么大的电阻，因为那怕是微小的干扰电流（比如随温度改变的失调电流）经过大的电阻，会形成较大的干扰电压 13，正相放大器的输入阻抗在理想状态下为无穷大，在这种情况下，选择正相放大器比较合适。 4、 总结 5 以上介绍了运算的分类，各类运算放大器的特点，运算放大器的闭环负反馈电路形式及 比较。随着电子技术的发展，对运算放大器的要求也越来越高，另外电子产品也越来越多地向智能化方向发展，必然会用到大量传感器，而传感器输出的信号需要经过运算放大器的处理，所以运算放大器运用也会越来越广
12、14。在使用运算放大器过程中需要注意运算放大器的选型，应根据电路工作条件和运算放大器的性能指标来选择合适的型号。正确认识、对待各种参数，不要盲目片面追求指标的先进，例如场效应管输入级的运放，其输入阻抗虽高，但失调电压也较大，低功耗运放的转换速率必然也较低。当用运放作弱信号放大时，应选用失调以及噪声系数均很小的运放 。此外，在高输入阻抗及低失调、低漂移的高精度运放的印刷底板布线方案中，其输入端应加保护环 15。 参考文献 1（美） 赛尔吉欧 佛朗哥 . 基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计 M. 西安 ： 西安交通大学 出版社 , 2004, 8. 2 蔡锦福 . 运算放大器原理与应用 M .
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