集成运算放大器是线性集成电路中最通用的一种。线性集成电路的使用范围很广，但要标准化比较困难。而集成运算放大器与整个线性集成电路相比，在使用范围上相对较窄，因而标准化比较容易。按照标准化要求，集成运算放大器中有相当大的一部分产品都是非原创品，甚至可以说使用的都是这些非原创品。集成运算放大器的第一个实用产品μA702的内部电路如图7.1所示。这种集成运算放大器不使用pnp晶体管制作。该集成运放具有共模输入电压低、输出振幅小、容易振荡等缺点。后来发表了改进这些缺点的μA709产品。μA709的内部电路如图7.2所示。μA709用得很广泛，至今仍在使用。但是，μA709有如表7.1所示的许多问题。

    就在同一时期，国家半导体公司发表了LM301产品。这个产品差不多与μA741具有相同的特性，但相位补偿需要在外面连接一个电容器，通过改变这个电容器的值来改变带宽，也可以通过前馈相位补偿的方法来扩展带宽，因此有比μA741容易使用的地方。图7.3和图7.4分别是μA741和LM301的内部电路图。其他的运算放大器可以说大多数是以μA741为基础，进行了高性能化（高精度、高输入阻抗、宽频带、低漂移、小偏置电流、功率微型化、可编程）、复合化（双重、四重）的改造。此外，诺顿运算放大器（电流差动输入运算放大器）也发表了几种。将运算放大器设计成采用单电源而不是双电源的产品也很多。以上谈的是单片运算放大器，非单片混合运算放大器也发表了很多。

    芯片内制作线圈几乎不可能，电容器也只能制作小容量（几十皮法左右就达到了制作限度）的。所以，运算放大器也就是用晶体管和电阻构成的直接耦合放大器（直流放大器）。它的构成可用图7.5的方框图来表示。

    开发运算放大器的主要目的是为了模拟计算机的运算放大，电路采用直流耦合（如果从制造工艺的角度来考察线性集成电路的话，制作大容量的电容器很困难，电路不得不采用直流耦合，另外制作线圈也很困难）。这种直流耦合与电容器耦合（交流耦合）相比，不仅能直流放大，而且高频特性也不坏，所以常常被模拟信号系统中的自动控制部分所采用。直流耦合放大器（直流放大器）的输入级采用差动放大电路。图7.6就是输入级的基本电路。

（1） 差动放大器的工作原理

    在图7.6中，Q₁、Q₂的集电极与负载电阻相接，两个发射极被连在一起后，与恒流源相接。Q₁、Q₂的发射极电流I_e1+I_e2=I_E，而I_E为恒流源。于是，一方I_e为I_E与另一方I_e之差，所以称它为差动放大器。

    输入信号加到in₁和in₂中，输出V_out可从out₁、out₂获取。这时输出与输入之比称为差动增益。在单端输入情况下，输入信号加到in₁或in₂与地之间，不用的输入端子与地相接。如果这时将输入端晶体管的集电极与地之间的电压作为输出，则与差动输入相比，能获得V_out/2的输出电压。V₁=V₂=V_C时的输入称为共模输入，噪声等就相当于这种输入。尽管理论上共模输入时集电极之间的输出V_out不会出现，但实际上各个集电极与地之间会有输出出现。假设在共模输入情况下集电极和地之间的输出电压关系为V_out1=V_out2=V_C0，则V_CO和V_C之比称为共模增益。运算放大器都尽量使共模增益变小。要想减小共模增益则应加大图7.6中恒流源的输出电阻R_E。如果R_E采用电阻器，则电阻值不能做得很大，而采用恒流源可制作所需大小的R_E。

    差动放大器与图7.7的一般放大器相比，差动放大器使用的晶体管的数目要多几个，但稳定非常好，在使用时可以不必担心稳定系数，能进行直流放大，有很强的抑制共模输入（噪声）能力等，优点很多。但是，也存在着一些缺点，如电源需要两个（若只是交流放大，单个也可以），电源的利用率低等。图7.7为电流放大，而差动放大器是电压放大。由于差动放大器基极也需要有电流流入，所以输入电阻不如使用FET等元件那么大，但还是比单个晶体管放大器的输入电阻大。

    为了使运算放大器输入级电路（即差动放大器）的共模增益变小，必须使接在差动放大器发射极的电阻变大。但这样做会使差动增益发生变化，所以一般用恒流源取代电阻。要制作稳定性好的差动放大器就必须要有稳定性好的恒流源。图7.8为恒流源的基本电路。通过R₁、R₂将恒定电压加到差放的是晶体管基极上使其集电极电流恒定不变。图7.9是在运算放大器中使用的各种恒流电路。LM301等使用的恒流电路是利用镜像效应来达到恒流效果的。

下面说明图7.10的电流镜像电路中I_O≈I_B的原因。

I_B=I_B1+I_B2+I_C

由于两个晶体管特性相同，所以

I_B1=I_B2=I_B＇，h_fe1=h_fe2=h_fe

I_B=2I_B＇+I_C I_C=h_fe·I_B＇

I_B=2I_B＇+h_fe·I_B＇

若h_fe》2,则I_O≈I_B。

    在集成运算放大器中，二极管多数情况是用来产生电平移动和偏压。电路中并不直接采用二极管，而是将制作好的晶体管连接成二极管（这个与集成电路的制造工艺以及二极管正向压降和晶体管V_BE之间的关系等有关）。图7.11是用晶体管制作二极管的几种连线方法。

    差动放大器的输出是从两个晶体管的集电极中获得的，而下一级放大器如只有一个输入端，这之间究竟应该怎样连接在一起呢？图7.13是一个双端变单端的转换电路。无差动输入时，T_r2和T_r3都有相同的集电极电流I_C流入。假如有差动输入，则T_r2的集电极电流变成I_C+△I_C2，而T_r3的集电极电流变成I_C+△I_C3。△I_C2的变化将会引起T_r2的集电极产生△V₂的电压变化。然而T_r2的V_CB等于T_r1的V_BE，是一个固定值，所以T_r2的基极电位也会产生△V₂的变化。T_r3的基极电位也变化△V₂，从而导致集电极电流由△V₂产生的△I_C2的变化。这样就可以将△I_C2-△I_C3的变化量传递给单端输入放大器。这个电路也采用了电流镜效应。图7.14的虚线部分与图7.13电路相对应。

    运算放大器的输出电路要求输出阻抗低（理想情况下为零），失真小，输出电压振幅大。

    早期的运算放大器μA702采用的是如图7.15所示的射极跟随器，达到了输出阻抗低的要求。但是这种电路不能产生很大振幅的输出电压。后来μA709就变成了图7.16所示的互补射极跟随器。由于它工作在B类状态会产生交叉失真，于是就通过用R₁₅施加负反馈（NFB）来减少这种失真。LM301、μA741等运算放大器采用的是图7.17、图7.18所示的二极管和电平移动电路构成的AB类工作的互补电路。所以它们的输出阻抗低，可以获得失真小的大振幅电压。

    当输出端子的连接错误造成短路时，或者出现超出规格以上的输出电流时，运算放大器会受到损坏。μA702、μA709没有接入保护电路。但是近年来的运算放大器都已接入过量电流限制电路。那么过量电流限制电路究竟是一个什么样的电路呢？图7.19就是一个过量电流限制电路，图7.20是它的原理图。

    在图7.20中，随着I_O的变大，R_S两端的压降也会增加。当这个电压超过T_r2的V_BE时，T_r2开始工作。I_B中就会有一部分电流I_C2流入T_r2，使得T_r1的基极电流减少，I_C1即I_O也会减少。这就是过量电流的限制原理。这种原理不仅可以应用于运算放大器，而且也可以应用于稳压电源的过量电流限制。这种电流限制特性叫垂下特性（或称限流特性），其他还有如图7.21所示的减流特性过量电流限制电路。

    在使用运算放大器时，除了什么品种都无所谓的情况外，应必须对品种进行挑选。首先决定想要制作的电路，然后考虑电路的功能、所需的性能等，最后进入集成电路挑选阶段。一般不要选择比所需性能还要高的品种。产品性能越高，成本也越高，使用时必须注意的事项也就越多。选择通用且有很多非原创品的品种不仅成本低，而且也容易购到。那么挑选要点究竟是什么呢？下面就几个具有代表性的参数进行说明。

（1） 频率与增益
看一下运算放大器的规格表，就会看到写有开环电压增益A_OL=200000倍（106dB）等数据。只看这个数据就会觉得这是一个具有很大电压增益的放大器。但另一方面，规格表上画有如图7.22所示频率与开环电压增益的曲线。由图7.22可知，要保持增益很大，频率需限定在10H_Z左右。随着频率的增高，增益以1/10（-20dB/10倍频程）的比例下降。也就是说，增益很大是针对直流而言的。图7.23所示的运算放大器加反馈后闭环增益为40dB（约100倍）。从图7.22可看出，在40 dB的范围内可使用的频率为10kHz。在10H_Z以上频率每上升10倍。增益就下降10倍，这是无反馈的情况。从图7.23可求得加反馈后闭环增益为40 dB可使用的上限频率是多少呢？由图7.23可得反馈系数β=R₁/（R₁+R₂）≈0.01，从而得环路增益A=β·A_OL≈2000。根据图7.22可以画出这一环路增益变成了1倍（0 dB），40 dB可使用频率上限为100H_Z。这一点需要引起注意。下面说明符合使用要求的开环电压增益A_OL的求解方法。按照FC规格表，假定直流闭环增益为y，在最大工作频率之处的增益下降率为χ，那么A_OL≥（Y+1）（1-χ）/χ.

（2） 转换速率
关于转换速率前面已经说明过，这里再重新概括一下。如果将运算放大器当作电压跟随器来输入方形脉冲，则会有如图7.25所示的输出。这当中输出电压产生的延迟量，即△V/△t(V/μs)被定义为转换速率。表7.1所示；罗列了一部分通用运算放大器的转换速率。这里必须注意的是，性能会因厂家的不同而不同。当闭环增益发生改变时转换速率会发生大幅度的变化，还会随电源电压和温度的变化而变化（温度上升，转换速率趋于下降）。在采用外部补偿的运算放大器中，通过外部补偿的方法甚至可以得到比标准补偿大20倍左右的转换速率，所以要仔细查看规格表。图7.26所示表示了正弦波通过不同转换速率的放大器后得到的输出波形。不难看出，转换速率大的响应好。

（3） 失调电压、电流
运算放大器作为交流放大器使用一般不会产生问题，但是在处理像热功率放大等之类的直流微小信号时会产生问题。现在让我们考虑一下如图7.27所示的电路。如果用V_OS、I_B等对电路产生影响的参数来表示输出电压，则在图7.27(a)中
V_out=(1+R₂/R₁)V_OS+I_OSR₂
在图7.27(b)中
V_out=(1+R₂/R₁)V_OS+I_BIASR₂

按照图7.28的电路给出的数据，可求得输出失调电压为V_out≈7.5V。这样大的失调电压当然不能使用，所以还需选用失调电压小的运算放大器。在如图7.29所示的采样保持电路中，偏置电流存在问题。通过计算保持时间就会知道，1mV的电压变化量只能保持0.5S左右。除这一些需要注意外，还有其他如温度系数等事项需要注意。

即使选用特性很好的电阻和电容器，运算放大器自身的温度上升也会对漂移产生很大影响。图7.30是一个放大倍数为2倍的反相放大器。假设电源电压为±15V，由规格表可查得电源电流的最大值为10mA。不难求得，这个运算放大器的消耗功率为315mW。由查规格表可知管壳类型θ_jA=150^○C/W。这时芯片的温度T_j=72^○C。由于芯片温度的最大值为115^○C，所以还有相当大的余地。但是芯片的温度每上升10^○C，输入偏置电流就会成倍增加。根据规格表，这时偏置电流的最大值为200pA，温度上升后的I_B变成

这是一种不可忽视的情况。由θ_jC=45^○C/W可求得外壳温度T_C≈58^○C。所以要想尽可能地控制温度上升，要么将电源电压降到所需的最小下限以内，要么安装散热器。注意，不要将几个电路封装在一起使用。

还有一个问题就是输出短路时所出现的情况。从图7.31可看出，LF357的限流电阻为25Ω，大约有25mA的电流流过。这个电路并不隔断输出，而只是将输出控制在25mA左右。为此，将有P_D=15V×25mA=375mW的功率被消耗掉，所以有过热破坏的危险。

如图7.32所示，运算放大器相互连接一般不会有问题。但是外部信号通过连接器输入时，过大输入信号、感应和电涌等都会对电路造成不好的影响，所以需要对运算放大器的输入进行保护。据说人体特别是在天气干燥的时候带有几千到几万伏的电荷。如果将这些电荷进入输入端子，让它们放电的话，就有可能破坏输入级电路。特别是在高输入阻抗时，输入部分处于开路状态就会有问题。图7.33为一些经常被使用的输入保护电路。其中图(a)是反相放大器经常采用的保护电路。通过二极管将电位箝到0.6V左右。如果考虑到有过大输入电压存在，则R₁不能选取太小。图(b)为同相放大器采用的保护电路。从降低电源端阻抗的需要来看，在二极管和地之间应该接入一个1μF的钽电容器。在这个保护电路中，如果将运算放大器的电源关掉，并在输入端加入电压，电流会流入R₁和二极管，有时可能会造成二极管损坏，所以要特别注意R₁的大小。图(c)是带有内部保护电路的运算放大器。V_in超过1V时，有损坏的可能性，所以一定要接上R。

（1） 用作比较器时的注意事项
保护电路内置型运算放大器用作比较器使用时，要注意对输入电路的保护。图7.34就是这种电路的例子。

（2） 电源关掉时的注意事项
无论什么样的运算放大器，当电源变成反偏置状态时，它的输入阻抗都会变低，并有可能导致损坏。特别要注意电源关掉时的正尖峰和负尖峰（见图7.35）。

要想放大微小信号的交流成分，需要高输入阻抗电路，这时可能会想到自举扩展电路。对于图7.36的电路而言，输入阻抗高达125MΩ，传输误差为0.02％左右，就性能来说，是没问题的。就噪声而言，如图7.37所示，R₁的热噪声将按开环增益倍数放大，所以尽量不要使用这种电路。

（8） 这一章没有讨论衬底模型上有R、L、C的情况。如果将指 纹弄到模型上， 绝缘电阻会变得惊人地小。不 仅运算放大器会出现噪声， 而 且电阻器也会出现噪声。地线集中一点接地， 地线的处理方法也有先后顺序。电源线必须戴上线圈套。要注意防止外来噪声入侵和运算放大器的发热。另外还有许多需要注意的问题， 这一些都希 望大家进一步学习。