集成运算放大器的分类和组成

宋立范

摘 要： 集成运算放大器简称集成运放，是由多级直接耦合放大电路组成的高增益模拟集成电路。它是一种高放大倍数、高输入电阻、低输出电阻、集成化了的直接耦合多级放大器。它在自动控制、测量设备、计算技术和电信等几乎一切电子技术领域中获得了日益广泛的应用。

关键词： 集成运算放大器 封装样式 使用注意事项

一、集成运算放大器的分类

集成运算放大器可以按照人们的不同需求进行多种划分，具体有以下几种类别。

1.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，其性能指标适合一般性的使用。如mA741（单运放）、LM358（双运放）、LM324（四运放）及以场效应管为输入级的LF356。它们是目前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，总希望运算放大器的失调电压较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。目前常用的高精度、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适合高速应用的场合的。高速型运算放大器的主要特点是具有高转换速率和宽频率响应。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，因此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。目前有的产品功耗已达微瓦级，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。

2.按外形的封装样式分类

（1）扁平式（即SSOP）

这种类型的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，如图1。用这种形式封装的芯片必须用SMD（表面安装设备技术）将芯片与主板焊接起来。采用SMD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。

图1 扁平式

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，又可以是长方形。

（2）单列直插式（即SIP）

图2 单列直插式

这种类型的最适合焊接，是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，如图2。

（3）双列直插式（即DIP）

这是应用最广泛、最多的封装形式，如图3所示。

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。但DIP封装的芯片在芯片插座上插拔时应特别小心，以免损坏引脚。

使用DIP外形的有以下好处：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中的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。

图3 双列直插式

二、集成运算放大器的组成

集成运算放大器的内部通常包含四个基本组成部分，即输入级、中间级、输出级和偏置电路，如图所示：

图4 集成运算放大器的内部构造

由于集成運算放大器是一种多级直耦放大电路，因此要求输入级具有抑制零点漂移。另外，还要求输入级具有较高的输入电阻，因此在输入级上常采用双端输入的差动放大电路。中间级的作用则是放大信号，要求有尽可能高的电压放大倍数。中间级常采用直接耦合共发射极放大电路。输出级与负载相连，要求带负载能力要强，因此常采用直接耦合的功率放大电路，此外，输出级一般还有过电流保护电路，防止电流过大，烧坏输出电路。偏置电路的功能主要是为输入级、中间级和输出级提供合适的静态工作点。偏置电路一般采用电流源电路。

集成运算放大器具有两个输入端和一个输出端，在两个输入端中，一个为同相输入端，标注“+”，表示输出电压与此输入端的电压相位相同；另一个为反相输入端，标注“-”，表示输出电压与此输入端的电压相位相反。集成运算放大器电路符号如图5所示。

图5 集成运算放大器的电路符号

三、集成运算放大器的选择及使用中的一些问题。

通常情况下，在设计集成运算放大器应用电路时，应根据设计需求寻找具有相应性能指标的芯片。因此，了解集成运算放大器的类型，理解其主要性能指标的物理意义，是正确选择集成运算放大器的前提。应根据以下几方面的要求选择集成运算放大器。

1.信号源的性质：根据信号源是电压源还是电流源、内阻大小、输入信号的幅值及频率变化范围等，选择集成运算放大器的差模输入电阻、带宽等指标参数。

2.负载的性质：根据负载电阻的大小，确定所需集成运算放大器的输出电压和输出电流的幅值。对于容性负载和感性负载，还要考虑它们对频率参数的影响。

3.精度要求：对集成运算放大器的精度选择要恰当，过低不能满足要求，过高将增加成本。

4.环境条件：选择集成运算放大器时，必须考虑到工作温度范围、工作电压范围、功耗、体积限制及噪声源的影响等因素。

另外，需要注意的事项有以下几点：

①集成运算放大器的选择，从性价比方面考虑，应尽量选择通用集成运算放大器，只有在通用集成运算放大器不满足应用要求时，才采用特殊集成运算放大器。

②使用集成运算放大器首先要会辨认封装形式，目前常用的封装是双列直插式和扁平式。

③学会辨认引脚，不同公司的产品引脚排列是不同的，需要查阅手册，确认各个引脚，通常将这种现象称为虚断。

目前广泛应用的电压型集成运算放大器是一种高放大倍数的直接耦合放大器。在该集成电路的输进与输出接进不同的反馈网络，可实现不同用途的电路，例如利用集成运算放大器可非常方便地完成信号放大、信号运算（加、减、乘、除、对数、反对数、平方、开方等）、信号的处理（滤波、调制）及波形的产生和变换。集成运算放大器的种类非常多，可适用于不同的场合。

参考文献：

[1]姜俐侠.模拟电子技术.