《你好，放大器》之四：IC時(shí)代來(lái)了，1.0版的集成運(yùn)算放大器

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為什么要用集成運(yùn)算放大器？
回過(guò)頭來(lái)看晶體管運(yùn)算放大器，價(jià)格高的令人吃驚，因此昂貴的晶體管運(yùn)算放大器僅能用于高科技、軍工產(chǎn)品，一般的電子設(shè)備中還得用晶體管甚至還要用真空管。

真正讓運(yùn)算放大器從陽(yáng)春白雪，變?yōu)榇蟊娋梢詰?yīng)用的基本電子器件得益于通用型集成運(yùn)算放大器的大量生產(chǎn)。

晶體管運(yùn)算放大器性能還不能令人滿(mǎn)意
應(yīng)用過(guò)晶體管的工程師或者仔細(xì)閱讀過(guò)晶體管數(shù)據(jù)的電子工程師和電子愛(ài)好者都知道，晶體管參數(shù)對(duì)溫度變化很敏感，如PN結(jié)正向電壓、轉(zhuǎn)移特性、共發(fā)射極電流增益、跨導(dǎo)等。

一旦這些參數(shù)變化，由晶體管構(gòu)成的放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)、電壓增益就會(huì)發(fā)生很大的變化，而這些變化在很多應(yīng)用中是不允許的。

還有更恐怖的，這就是電路中的晶體管的結(jié)溫不同，結(jié)溫變化不同，就會(huì)嚴(yán)重的影響電路的工作狀態(tài)，特別是運(yùn)算放大器的差分輸入級(jí)，所以在P45晶體管運(yùn)算放大器中，輸入級(jí)采用了差分對(duì)管。即便如此，在實(shí)際應(yīng)用中也不能確保電路中的各晶體管的溫度變化一致，晶體管運(yùn)算放大器在不同的溫度下的工作狀態(tài)也不同，甚至需要工作在很窄的溫度范圍，這就是為什么早期的晶體管系統(tǒng)需要空調(diào)的原因。

除此之外，晶體管運(yùn)算放大器的輸入阻抗太低，僅僅為兩個(gè)晶體管的r_be，很難超過(guò)10kΩ。這對(duì)于今天的運(yùn)算放大器里理論來(lái)說(shuō)簡(jiǎn)直就是災(zāi)難。

企盼體積更小的運(yùn)算放大器
如何比較容易的獲得高性能的運(yùn)算放大器？如何進(jìn)一步減小電路的體積？

集成電路給了工程師一個(gè)很好的啟示—用集成電路構(gòu)成運(yùn)算放大器！

時(shí)至今日，集成運(yùn)算放大器可以做到SOT23封裝，與1206封裝的貼片電阻體積相同，過(guò)去的整塊電路板的晶體管運(yùn)算放大器到現(xiàn)在的SOT23封裝的集成運(yùn)算放大器，其體積的進(jìn)步絕對(duì)不亞于從真空管運(yùn)算放大器到晶體管運(yùn)算放大器的革命。

早期集成運(yùn)算放大器μA702、μA709
20世紀(jì)60年代，集成電路制造技術(shù)水平相對(duì)現(xiàn)在還是很低的，單片硅片上能做出來(lái)的晶體管還是不多的。

第一個(gè)集成運(yùn)算放大器μA702是1963年在美國(guó)仙童公司誕生。

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那時(shí)的集成運(yùn)算放大器性能在現(xiàn)在看來(lái)是很差的。如開(kāi)環(huán)增益約1000倍，電源電壓也是+12V、-6V，輸出級(jí)僅僅是發(fā)射極跟隨器電路，輸入阻抗也很低，為20kΩ左右，這是現(xiàn)在所不能想象的。當(dāng)時(shí)的集成電路中還僅僅能集成NPN晶體管，而且已經(jīng)有了鏡像恒流源這樣的電路?？梢韵胂螅娮泳€(xiàn)路理論在那時(shí)就已經(jīng)很成熟了。

用現(xiàn)在的觀點(diǎn)看，那個(gè)時(shí)代的集成運(yùn)算放大器根本算不上集成運(yùn)算放大器，但是與相同功能的晶體管放大電路相比，電路還是簡(jiǎn)單得多，這就是集成電路的魅力。

早期集成運(yùn)算放大器的代表性型號(hào)如μA702，對(duì)應(yīng)國(guó)產(chǎn)型號(hào)為8FC1。μA702內(nèi)部等效電路如圖。
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μA702內(nèi)部等效電路

μA702一問(wèn)世立刻應(yīng)用在彈道導(dǎo)彈中，體積小、重量輕，外電路簡(jiǎn)單是集成運(yùn)算放大器最重要的優(yōu)點(diǎn)。

隨著集成電路制造技術(shù)的進(jìn)步，單個(gè)硅片上可集成的晶體管數(shù)量大大增加，PNP晶體管也可以集成在同一芯片中，使得全互補(bǔ)發(fā)射極跟隨器輸出級(jí)得以實(shí)現(xiàn)。集成運(yùn)算放大器的性能也因此飛躍性的提高，大部分性能性能接近通用型集成運(yùn)算放大器的性能。

很快，在1965年就將μA702升級(jí)到μA709，這一款集成運(yùn)算放大器在TI的網(wǎng)站上還可以查到器件的datasheet，并可以購(gòu)買(mǎi)到這一款產(chǎn)品。μA709內(nèi)部等效電路如圖。

μA709內(nèi)部等效電路

μA709應(yīng)用時(shí)最大的問(wèn)題就是如何做好補(bǔ)償（自動(dòng)控制理論中的校正），如果做不好就會(huì)發(fā)生自激振蕩，這就是μA709的最大弱點(diǎn)。需要在設(shè)計(jì)時(shí)修正集成運(yùn)算放大器中各級(jí)的頻率特性。

很快，第一代集成運(yùn)算放大器被第二代集成運(yùn)算放大器所取代。

最早的集成運(yùn)算放大器用在哪里？高科技軍事產(chǎn)品，如當(dāng)時(shí)的彈道導(dǎo)彈等。相比之下，集成運(yùn)算放大器要比晶體管運(yùn)算放大器體積小得多、性能好得多、耗電低得多。

與非網(wǎng)原創(chuàng)內(nèi)容，未經(jīng)許可，不得轉(zhuǎn)載

系列之一：放大器簡(jiǎn)史

摘要：運(yùn)算放大器來(lái)源于電子線(xiàn)路，與電子技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān)。1904年，J.A.Fleming發(fā)明了真正的真空二極管，1906年，Lee De Forest發(fā)明了真空三極管，自此開(kāi)創(chuàng)了電子技術(shù)時(shí)代。K2-W型運(yùn)放是第一批商品化的運(yùn)放……

系列之二： 真空管運(yùn)算放大器的年代

摘要：1930年及后來(lái)的30年間，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室利用負(fù)反饋技術(shù)來(lái)改善放大器的性能。這導(dǎo)致了真空管運(yùn)算放大器的問(wèn)世，即應(yīng)用真空管負(fù)反饋放大器構(gòu)成通用的“運(yùn)算放大器”……

系列之三：真空管運(yùn)放的終結(jié)者—晶體管運(yùn)算放大器

摘要：真空管運(yùn)算放大器不僅體積大，而且功耗也很大，如M9型真空管運(yùn)算放大器的最后一級(jí)的6L6陽(yáng)極耗散功率約19W，加上燈絲耗電約6W，6L6上面的損耗可以達(dá)到20W以上，正因?yàn)槿绱?，一旦有了體積小、耗電低的可替代產(chǎn)品，真空管運(yùn)算放大器必將壽終正寢。導(dǎo)致真空管運(yùn)算放大器壽終正寢的的是晶體管和晶體管運(yùn)算放大器……

系列之五：2.0版的集成運(yùn)放，有源負(fù)載替代了集電極電阻

摘要：1967年：美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司推出 LM101，改善了許多重要問(wèn)題，使集成電路運(yùn)算放大器開(kāi)始流行……

系列之六：那些技高一籌的集成運(yùn)算放大器（1）

摘要：如果是特殊應(yīng)用，通用型集成運(yùn)算放大器的性能就顯得不夠，需要選用特殊性能的集成運(yùn)算放大器……

系列之七：那些技高一籌的集成運(yùn)放（2）

摘要：書(shū)接上回，還有很多特殊性能的集成運(yùn)算放大器以及新型集成運(yùn)算放大器來(lái)滿(mǎn)足不同應(yīng)用的特殊需求……

系列之八：集成運(yùn)放的理論挑戰(zhàn)—深度負(fù)反饋惹的禍

摘要：電子技術(shù)基礎(chǔ)課程中，往往是說(shuō)負(fù)反饋的優(yōu)點(diǎn)多，負(fù)反饋的缺點(diǎn)卻很少提及，頂多就是深度負(fù)反饋可能會(huì)引起自激振蕩。那么在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)用集成運(yùn)算放大器受到了哪方面的電子技術(shù)基礎(chǔ)課程中所學(xué)的理論的挑戰(zhàn)……

系列之九：為什么還是要集成運(yùn)放—性能，性能

摘要：前面講了集成運(yùn)算放大器和深度負(fù)反饋引入的優(yōu)缺點(diǎn)。似乎集成運(yùn)算放大器并沒(méi)有什么優(yōu)勢(shì)，深度負(fù)反饋后也不是那么的理想。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，恰當(dāng)選擇集成運(yùn)算放大器和負(fù)反饋，集成運(yùn)算放大器還是極具優(yōu)勢(shì)的，這是不容置疑的，除非集成運(yùn)算放大器和負(fù)反饋選擇不恰當(dāng)。那么集成運(yùn)算放大器都具有哪些優(yōu)勢(shì)呢……

系列之十：集成運(yùn)放的優(yōu)勢(shì)—模擬之母

摘要：集成運(yùn)算放大器可以完成“所有的”模擬電路功能，不管是線(xiàn)性的還是非線(xiàn)性的電路，只要是能想到的幾乎都能實(shí)現(xiàn)……

系列之十一：集成運(yùn)放還有哪些好處？

摘要：在三類(lèi)城市，集成運(yùn)算放大器可以以0.8元的零售價(jià)買(mǎi)到四運(yùn)算放大器（LM324），而小信號(hào)雙極型晶體管的零售價(jià)至少要0.2元，電阻的單價(jià)也要0.02~0.03元，電容器的單價(jià)也要0.1元或更高。這樣就可以看到前文曾提到的分立元件構(gòu)成的電路沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)力……