运算放大器模型
虽然提到运算放大器通常会让人联想到在微型硅芯片上构建为集成电路的半导体设备，但第一个运算放大器实际上是真空管电路。第一个商用通用运算放大器于 1952 年由 George A. Philbrick Researches, Incorporated 制造。命名为 K2-W，它围绕两个双三极管安装在一个组件中，带有一个八进制（8 针）方便安装和维修那个时代的电子设备机箱的插座。程序集看起来像这样：
示意图显示了两个管子，以及十个电阻器和两个电容器，即使按照 1952 年的标准，这是一个相当简单的电路设计：
真空管是如何工作的？
如果您不熟悉真空管的操作，它们的操作类似于 N 沟道耗尽型 IGFET 晶体管：也就是说，当控制栅极（虚线）相对于阴极（靠近管符号底部的弯曲线），当控制栅极的正（或负）小于阴极时，传导更少的电流。左边的双三极管用作差分对 ，将差分输入（反相和同相输入电压信号）转换为单个放大的电压信号，然后通过分压器（1 MΩ-2.2 MΩ）馈送到第二对三极管左三极管的控制栅极。该三极管放大并反相差分对的输出以获得更大的电压增益，然后放大的信号耦合到同相放大器配置中同一双三极管的第二个三极管以获得更大的电流增益。两个氖“辉光管”充当稳压器，类似于半导体齐纳二极管的行为，在两个单端放大器三极管之间的耦合中提供偏置电压。
在双电源电压为 +300/-300 伏的情况下，该运算放大器的输出摆动幅度只能为 +/- 50 伏，按照今天的标准，这是非常糟糕的。它的开环电压增益为 15,000 至 20,000，压摆率为 +/- 12 伏/微秒，最大输出电流为 1 mA，静态功耗超过 3 瓦（不包括电子管灯丝的功率） !)，以 1952 年的美元计算，成本约为 24 美元。使用更复杂的电路设计可以获得更好的性能，但代价是更大的功耗、更高的成本和更低的可靠性。
固态晶体管对运算放大器的影响
随着固态晶体管的出现，具有更低静态功耗和更高可靠性的运算放大器变得可行，但许多其他性能参数保持不变。以 Philbrick 的型号 P55A 为例，它是 1966 年左右的通用固态运算放大器。 P55A 具有 40,000 的开环增益、1.5 伏/微秒的压摆率和 +/- 11 伏的输出摆幅（电源电压为 +/- 15 伏），最大输出电流为 2.2 mA，成本为 49 美元（“实用级”版本约为 21 美元）。 P55A 以及 Philbrick 当时阵容中的其他运算放大器采用分立元件结构，其组成的晶体管、电阻器和电容器安装在类似于大型集成电路封装的实心“砖块”中。
使用分立元件构建粗略的运算放大器并不难。一个这样的电路原理图如下图所示。
由分立元件制成的简单运算放大器。
虽然按照现代标准，它的性能相当糟糕，但它表明创建一个功能最少的运算放大器并不需要复杂性。晶体管 Q3 和 Q4 构成了另一个差分对电路的核心，即 K2-W 原理图中第一个三极管的半导体等效电路。如同在真空管电路中一样，差分对的目的是将两个输入端之间的差分电压放大并转换为单端输出电压。
集成电路技术对运算放大器设计的影响
随着集成电路 (IC) 技术的出现，运算放大器设计在性能、可靠性、密度和经济性方面有了显着提高。 1964 年至 1968 年间，Fairchild 公司推出了三种型号的 IC 运算放大器：702、709 和仍然流行的 741。虽然现在 741 在性能方面被认为已经过时，但它仍然是最受欢迎的因其简单性和容错性（例如输出短路保护）而受到爱好者的青睐。滥用许多 741 运算放大器的个人经验使我得出结论，它是一个很难杀死的芯片。 . .
741型运放的内部原理图如下图所示。
741 型运算放大器示意图。
按照集成电路标准，741 是一个非常简单的设备：小规模集成的一个例子 , 或 SSI 技术。使用分立元件构建此电路绝非易事，因此您可以看到即使是最原始的集成电路技术与涉及大量零件的分立元件相比的优势。
部分运算放大器性能指标对比
对于希望获得更高性能的爱好者、学生或工程师来说，有数百种运算放大器型号可供选择。许多售价不到一美元，甚至零售价！专用仪器和射频 (RF) 运算放大器可能要贵得多。在本节中，我将展示几种流行且价格合理的运算放大器，比较和对比它们的性能规格。古老的 741 被列为比较的“基准”，尽管正如我之前所说，它被认为是过时的设计。
广泛使用的运算放大器
上表中列出的只是电子供应商广泛提供的一些低成本运算放大器型号。它们中的大多数都可以通过 Radio Shack 等零售用品商店购买。制造商直接提供的所有成本均低于 1.00 美元（2001 年价格）。如您所见，其中一些单元之间的性能存在很大差异。以输入偏置电流参数为例：CA3130最低，为0.05 nA（或50 pA），LM833最高，略高于1 µA。 CA3130 型通过在其输入级中使用 MOSFET 晶体管实现了令人难以置信的低偏置电流。一家制造商将 3130 的输入阻抗宣传为 1.5 兆兆欧，或 1.5 x 10 12 Ω！此处显示的其他具有低偏置电流数字的运算放大器使用 JFET 输入晶体管，而高偏置电流模型使用双极输入晶体管。
虽然 741 在许多电子项目示意图中都有指定并在许多教科书中展示，但它的性能长期以来在各个方面都被其他设计超越。甚至一些最初基于 741 的设计也经过多年改进，远远超过了原始设计规范。一个这样的例子是 1458 型，两个采用 8 引脚 DIP 封装的运算放大器，曾经与单个 741 具有完全相同的性能规格。在其最新版本中，它拥有更宽的电源电压范围，速率是 741 的 50 倍，输出电流能力几乎是 741 的两倍，同时仍保留了 741 的输出短路保护功能。带有 JFET 和 MOSFET 输入晶体管的运算放大器远 在偏置电流方面超过了 741 的性能，并且在带宽和压摆率方面通常也超过了 741。
我个人对运算放大器的建议是这样的：当优先考虑低偏置电流时（例如在低速积分电路中），选择 3130。对于通用直流放大器工作，1458 提供良好的性能（并且您在一个封装的空间内获得两个运算放大器）。要提升性能，请选择 353 型，因为它是 1458 的引脚兼容替代品。 353 设计有 JFET 输入电路，可实现极低的偏置电流，带宽是 1458 的 4 倍，尽管其输出电流限制较低（但仍具有短路保护）。在当地电子产品供应商的货架上可能更难找到，但它的价格与 1458 一样合理。
如果需要低电源电压，我推荐 324 型，因为它的工作电压低至 3 伏直流电。它的输入偏置电流要求也很低，并且在单个 14 引脚芯片中提供四个运算放大器。它的主要弱点是速度，仅限于 1 MHz 带宽和每微秒仅为 0.25 伏特的输出压摆率。对于高频交流放大电路，318是一个非常好的“通用”型号。
高带宽和高电流运算放大器的样品
专用运算放大器以适中的成本提供，可提供更好的性能规格。其中许多是针对特定类型的性能优势量身定制的，例如最大带宽或最小偏置电流。以运算放大器为例，它们都是为下表中的高带宽而设计的。
高带宽运算放大器
CLC404 的标价为 21.80 美元（几乎与 George Philbrick 的第一款商用运算放大器一样多，尽管没有修正通货膨胀），而 CLC425 的价格要便宜一些，每台 3.23 美元。在这两种情况下，高速都是以高偏置电流和限制性电源电压范围为代价的。下表列出了一些专为高功率输出而设计的运算放大器。
大电流运算放大器
是的，LM12CL 实际上具有 13 安培的额定输出电流 （13,000 毫安）！考虑到设备的原始功率，它的售价为 14.40 美元，这不是很多钱。另一方面，LM7171 以高电流输出能力换取了快速电压输出能力（高压摆率）。它的售价为 1.19 美元，与某些“通用”运算放大器的价格差不多。
放大器封装也可以作为完整的应用电路购买，而不是裸运算放大器。例如，Burr-Brown 和 Analog Devices 公司都以其精密放大器产品线而闻名，它们提供采用预先设计封装的仪表放大器以及其他专用放大器设备。在修复后的高精度和可重复性很重要的设计中，电路设计人员选择这种预先设计的放大器“块”而不是从单个运算放大器构建电路可能是有利的。当然，这些单元的成本通常比单个运算放大器高很多。
相关工作表：
- 基本运算放大器工作表
工业技术