集成運算放大器的分類和組成

宋立范

摘 要： 集成運算放大器簡稱集成運放，是由多級直接耦合放大電路組成的高增益模擬集成電路。它是一種高放大倍數、高輸入電阻、低輸出電阻、集成化了的直接耦合多級放大器。它在自動控制、測量設備、計算技術和電信等幾乎一切電子技術領域中獲得了日益廣泛的應用。

關鍵詞： 集成運算放大器 封裝樣式 使用注意事項

一、集成運算放大器的分類

集成運算放大器可以按照人們的不同需求進行多種劃分，具體有以下幾種類別。

1.按照集成運算放大器的參數分類

（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、產品量大、面廣，其性能指標適合一般性的使用。如mA741（單運放）、LM358（雙運放）、LM324（四運放）及以場效應管為輸入級的LF356。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。實現這些指標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、弱信號檢測等自動控制儀表中，總希望運算放大器的失調電壓較小且不隨溫度的變化而變化。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適合高速應用的場合的。高速型運算放大器的主要特點是具有高轉換速率和寬頻率響應。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復雜電路小型輕便，因此隨著便攜式儀器應用范圍的擴大，必須使用低電源電壓供電、低功率消耗的運算放大器相適用。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。目前有的產品功耗已達微瓦級，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。

2.按外形的封裝樣式分類

（1）扁平式（即SSOP）

這種類型的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，如圖1。用這種形式封裝的芯片必須用SMD（表面安裝設備技術）將芯片與主板焊接起來。采用SMD安裝的芯片不必在主板上打孔，一般在主板表面上有設計好的相應管腳的焊點。將芯片各腳對準相應的焊點，即可實現與主板的焊接。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。

圖1 扁平式

PFP（Plastic Flat Package）方式封裝的芯片與QFP方式基本相同。唯一的區別是QFP一般為正方形，而PFP既可以是正方形，又可以是長方形。

（2）單列直插式（即SIP）

圖2 單列直插式

這種類型的最適合焊接，是DIY友的最愛，因為這種封裝的管腳很長，很適合DIY焊接，且比較堅固，不易損壞，如圖2。

（3）雙列直插式（即DIP）

這是應用最廣泛、最多的封裝形式，如圖3所示。

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板上進行焊接。但DIP封裝的芯片在芯片插座上插拔時應特別小心，以免損壞引腳。

使用DIP外形的有以下好處：①適合在PCB（印刷電路板）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中的8088就采用這種封裝形式，緩存（Cache）和早期的內存芯片也是這種封裝形式。

圖3 雙列直插式

二、集成運算放大器的組成

集成運算放大器的內部通常包含四個基本組成部分，即輸入級、中間級、輸出級和偏置電路，如圖所示：

圖4 集成運算放大器的內部構造

由于集成運算放大器是一種多級直耦放大電路，因此要求輸入級具有抑制零點漂移。另外，還要求輸入級具有較高的輸入電阻，因此在輸入級上常采用雙端輸入的差動放大電路。中間級的作用則是放大信號，要求有盡可能高的電壓放大倍數。中間級常采用直接耦合共發射極放大電路。輸出級與負載相連，要求帶負載能力要強，因此常采用直接耦合的功率放大電路，此外，輸出級一般還有過電流保護電路，防止電流過大，燒壞輸出電路。偏置電路的功能主要是為輸入級、中間級和輸出級提供合適的靜態工作點。偏置電路一般采用電流源電路。

集成運算放大器具有兩個輸入端和一個輸出端，在兩個輸入端中，一個為同相輸入端，標注“+”，表示輸出電壓與此輸入端的電壓相位相同；另一個為反相輸入端，標注“-”，表示輸出電壓與此輸入端的電壓相位相反。集成運算放大器電路符號如圖5所示。

圖5 集成運算放大器的電路符號

三、集成運算放大器的選擇及使用中的一些問題。

通常情況下，在設計集成運算放大器應用電路時，應根據設計需求尋找具有相應性能指標的芯片。因此，了解集成運算放大器的類型，理解其主要性能指標的物理意義，是正確選擇集成運算放大器的前提。應根據以下幾方面的要求選擇集成運算放大器。

1.信號源的性質：根據信號源是電壓源還是電流源、內阻大小、輸入信號的幅值及頻率變化范圍等，選擇集成運算放大器的差模輸入電阻、帶寬等指標參數。

2.負載的性質：根據負載電阻的大小，確定所需集成運算放大器的輸出電壓和輸出電流的幅值。對于容性負載和感性負載，還要考慮它們對頻率參數的影響。

3.精度要求：對集成運算放大器的精度選擇要恰當，過低不能滿足要求，過高將增加成本。

4.環境條件：選擇集成運算放大器時，必須考慮到工作溫度范圍、工作電壓范圍、功耗、體積限制及噪聲源的影響等因素。

另外，需要注意的事項有以下幾點：

①集成運算放大器的選擇，從性價比方面考慮，應盡量選擇通用集成運算放大器，只有在通用集成運算放大器不滿足應用要求時，才采用特殊集成運算放大器。

②使用集成運算放大器首先要會辨認封裝形式，目前常用的封裝是雙列直插式和扁平式。

③學會辨認引腳，不同公司的產品引腳排列是不同的，需要查閱手冊，確認各個引腳，通常將這種現象稱為虛斷。

目前廣泛應用的電壓型集成運算放大器是一種高放大倍數的直接耦合放大器。在該集成電路的輸進與輸出接進不同的反饋網絡，可實現不同用途的電路，例如利用集成運算放大器可非常方便地完成信號放大、信號運算（加、減、乘、除、對數、反對數、平方、開方等）、信號的處理（濾波、調制）及波形的產生和變換。集成運算放大器的種類非常多，可適用于不同的場合。

參考文獻：

[1]姜俐俠.模擬電子技術.