从电子管到集成电路：运算放大器型号演进史
提及运算放大器，多数人联想硅基 IC。然而最早商用 Op-Amp 却是电子管电路。
1952 年，George A. Philbrick Researches 推出 K2-W，首款通用 Op-Amp。采用双三极管封装于八脚（八针）插座，便于当时机箱安装维护。
原理图显示双三极管组件配十电阻两电容——当时设计极简。
电子管工作原理
电子管类似 N 沟道耗尽型 IGFET：控制栅相对阴极更正时导通电流更多，更负时更少。K2-W 中左双三极管组成差分对，将反相/同相输入转为单端放大信号。1 MΩ – 2.2 MΩ 分压器馈送此信号至第二管左三极管，提供额外电压增益并反相输出。第二三极管驱动同相级提供电流增益。氖辉光管作为稳压器，类似稳压二极管，为两单端放大器间提供偏置电压。
双电源 +300/–300 V 下，K2-W 输出摆幅仅 ±50 V。开环增益 15,000–20,000，转换速率 ±12 V/µs，最大输出电流 1 mA，静态功耗超 3 W（不含灯丝功率）。1952 年售价约 $24。
固态晶体管与新一代
晶体管技术带来静态功耗更低、可靠性更高且性能相当的 Op-Amp。Philbrick 1966 年 P55A，开环增益 40,000，转换速率 1.5 V/µs，±15 V 供电下输出摆幅 ±11 V。最大输出电流 2.2 mA，售价 $49（工业级约 $21）。P55A 为分立元件设计，封装在类似大型 IC 封装的实心“砖”内。
可用分立元件构建基础 Op-Amp，如下原理图所示。Q3、Q4 组成的差分对承担 K2-W 中双三极管相同角色，将差分输入转为单端输出。
由分立元件构建的简单运算放大器。
集成电路革命
1960 年代中期 IC 引入变革 Op-Amp 设计。Fairchild 1964–1968 年间推出 702、709 和标志性 741。虽 741 今视为过时，因其鲁棒性和短路保护仍受爱好者青睐。
741 Op-Amp 内部原理图。
采用 SSI 技术，741 仅含少量元件，用分立元件复制极不切实际，凸显早期 IC 相较大型分立组件的明显优势。
主流 Op-Amp 性能对比
下表列举低成本 Op-Amp 选型，展示当前可用性能范围。741 作基准，新设计远超其规格。
广泛使用的运算放大器
| 型号 | 每封装器件数 | 电源电压 (V) | 带宽 (MHz) | 偏置电流 (nA) | 转换速率 (V/µS) | 输出电流 (mA) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| TL082 | 2 | 12 / 36 | 4 | 8 | 13 | 17 |
| LM301A | 1 | 10 / 36 | 1 | 250 | 0.5 | 25 |
| LM318 | 1 | 10 / 40 | 15 | 500 | 70 | 20 |
| LM324 | 4 | 3 / 32 | 1 | 45 | 0.25 | 20 |
| LF353 | 2 | 12 / 36 | 4 | 8 | 13 | 20 |
| LF356 | 1 | 10 / 36 | 5 | 8 | 12 | 25 |
| LF411 | 1 | 10 / 36 | 4 | 20 | 15 | 25 |
| 741C | 1 | 10 / 36 | 1 | 500 | 0.5 | 25 |
| LM833 | 2 | 10 / 36 | 15 | 1050 | 7 | 40 |
| LM1458 | 2 | 6 / 36 | 1 | 800 | 10 | 45 |
| CA3130 | 1 | 5 / 16 | 15 | 0.05 | 10 | 20 |
表中偏置电流差异巨大：基于 MOSFET 的 CA3130 达惊人 0.05 nA (50 pA)，双极晶体管 LM833 可超 1 µA。CA3130 输入阻抗标称 1.5 TΩ (1.5 × 10¹² Ω)。
虽 741 是教科书常客，性能已被现代器件超越。如 LM1458 同封装但供电范围更宽、转换速率高 50 倍、输出电流近双倍，仍保留短路保护。
推荐选型：
- 低偏置电流电路（如低速积分器）：CA3130。
- 通用直流放大：LM1458（单 8 引脚 DIP 含双 Op-Amp）。
- 高带宽：LF353（JFET 输入，带宽为 LM1458 四倍）。
- 低压工作：LM324（低至 3 V 工作，14 引脚封装四 Op-Amp）。
- 高频交流放大：LM318。
高带宽与大电流 Op-Amp
专用 Op-Amp 以适度成本提供卓越性能。下表突出针对带宽或电流输出优化的型号。
高带宽运算放大器
| 型号 | 每封装器件数 | 电源电压 (V) | 带宽 (MHz) | 偏置电流 (nA) | 转换速率 (V/µS) | 输出电流 (mA) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| CLC404 | 1 | 10 / 14 | 232 | 44,000 | 2600 | 70 |
| CLC425 | 1 | 5 / 14 | 1900 | 40,000 | 350 | 90 |
CLC404 售价 $21.80，相当于 1952 年 K2-W 价格。CLC425 更亲民 $3.23。两者以更高偏置电流和更窄供电范围换取高速。
大电流运算放大器
| 型号 | 每封装器件数 | 电源电压 (V) | 带宽 (MHz) | 偏置电流 (nA) | 转换速率 (V/µS) | 输出电流 (mA) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| LM12CL | 1 | 15 / 80 | 0.7 | 1000 | 9 | 13,000 |
| LM7171 | 1 | 5.5 / 36 | 200 | 12,000 | 4100 | 100 |
LM12CL 能输出惊人 13 A 电流，售价 $14.40。LM7171 仅 $1.19 提供 4 kV/µs 高转换速率。
对极致精度或重复性要求设计，Burr-Brown 和 Analog Devices 等厂商提供预设计仪表放大器等专用器件。虽比裸 Op-Amp 贵，但简化设计且常提升可靠性。
相关练习：
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工业技术