第14节 运算放大器型号 (修订中)
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虽然提到[运算放大器](https://www.allaboutcircuits.com/textbook/semiconductors/chpt- 半导体器件 (opens new window)，但最初的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由 George A. Philbrick Researches, Incorporated 于 1952 年制造。命名为 K2-W，它围绕两个双三极管安装在一个八通（8 针）组件中方便在那个时代的电子设备机箱中安装和维修的插座。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，这也是一个相当简单的电路设计：
# 1. 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 (opens new window)：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），并且当控制栅极的正极性低于阴极（或负极性更高）时，传导的电流会更少。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）将其馈送到第二个三极管对的左三极管的控制栅极。该三极管对差分对的输出进行放大和反相以获得更大的电压增益，然后将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。两个霓虹灯“发光管”充当电压调节器，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 +300/-300 伏的双电源电压下，这款运算放大器只能将其输出摆动 +/- 50 伏，按照今天的标准来看，这是非常差的。它具有 15,000 到 20,000 的开环电压增益、+/- 12 伏特/微秒的压摆率、1 mA 的最大输出电流、超过 3 瓦的静态功耗（不包括管灯丝的功率） ！），1952 年的价格约为 24 美元。使用更复杂的电路设计可以实现更好的性能，但代价是更高的功耗、更高的成本和更低的可靠性。
# 2. 固态晶体管对运算放大器的影响
随着固态晶体管 (opens new window)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大致相同。以 Philbrick 的 P55A 型号为例，它是 1966 年左右的通用固态运算放大器。P55A 的开环增益为 40,000，转换速率为 1.5 伏/微秒，输出摆幅为 +/- 11 伏（电源电压为 +/- 15 伏），最大输出电流为 2.2 mA，成本为 49 美元（或“实用级”版本约为 21 美元）。P55A 以及当时 Philbrick 产品线中的其他运算放大器采用分立元件结构，其组成晶体管、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”中。
使用分立元件构建粗略的运算放大器并不是很困难。一个这样的电路的示意图如下图所示。
由分立元件制成的简单运算放大器。
虽然以现代标准衡量其性能相当糟糕，但它表明复杂性对于创建功能最少的运算放大器并不是必需的。晶体管 Q 3和 Q 4构成另一个差分对电路的核心，即 K2- 三极管的半导体等效电路。 (opens new window)正如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将其转换为单端输出电压。
# 3. 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、密度和经济性方面经历了显著提高。在 1964 年到 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，但它仍然是人们的最爱爱好者因其简单性和容错性（例如输出短路保护）。滥用许多 741 运算放大器的个人经验使我得出结论，这是一个难以杀死的芯片。. .
741 型运算放大器的内部原理图如下图所示。
741 型运算放大器的示意图。
按照集成电路标准，741 是一个非常简单的设备：_小规模集成_或_SSI_技术的一个例子。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相对于涉及大量零件的分立元件的优势。
# 4. 部分运算放大器的性能规格比较
对于希望获得更高性能的爱好者、学生或工程师来说，实际上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！专用仪器仪表和射频 (RF) 运算放大器可能要贵很多。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
| 模型 | 器件/封装 | 电源 | 带宽 | 偏置电流 | 转换率 | 输出电流 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| (修订中) | （嘛） | |||||
| 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 |
上表中列出的 (opens new window)只是电子供应商广泛提供的一些低成本运算放大器型号。其中大部分可通过 Radio Shack 等零售商店购买。所有产品的成本均低于 1.00 美元，直接来自制造商（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 以 0.05 nA（或 50 pA）获得最低奖，LM833 以略高于 1 µA 为最高。CA3130 型号通过在其输入级使用 MOSFET 晶体管实现了令人难以置信的低偏置电流。一家制造商宣传 3130 的输入阻抗为 1.5 太欧，或 1.5 x 10 12Ω！此处显示的其他具有低偏置电流数据的运算放大器使用 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 在许多电子项目的原理图中都有说明，并在许多教科书中都有展示，但它的性能早已在各个方面都被其他设计所超越。多年来，甚至一些最初基于 741 的设计也得到了改进，远远超过了最初的设计规格。1458 型就是一个这样的例子，它是采用 8 针 DIP 封装的两个运算放大器，曾经具有与单个 741 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，转换速率是 741 的 50 倍，输出电流能力几乎是 741 的两倍，同时仍保留 741 的输出短路保护功能。具有 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（例如在低速积分器电路中），选择 3130。对于通用直流放大器工作，1458 提供了良好的性能（并且您在一个封装的空间中获得两个运算放大器）。要升级性能，请选择 353 型号，因为它是 1458 的引脚兼容替代品。353 采用 JFET 输入电路设计，偏置电流极低，带宽是 1458 的 4 倍，尽管它的输出电流限制较低（但仍具有短路保护）。在当地电子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，它在单个 14 引脚芯片中提供了四个运算放大器。它的主要弱点是速度，仅限于 1 MHz 带宽和仅 0.25 V/µs 的输出压摆率。对于高频交流放大器电路，318 是一个非常好的“通用”型号。
# 5. 高带宽和高电流运算放大器样品
专用运算放大器可提供更好的性能规格，成本适中。其中许多是为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，它们都设计用于下表中的高带宽。
高带宽运算放大器
| 模型 | 器件/封装 | 电源 | 带宽 | 偏置电流 | 转换率 | 输出电流 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| (修订中) | （嘛） | |||||
| CLC404 | 1 | 10 / 14 | 232 | 44,000 | 2600 | 70 |
| CLC425 | 1 | 5 / 14 | 1900 | 40,000 | 350 | 90 |
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贵，尽管没有对通货膨胀进行校正），而 CLC425 的价格要便宜得多，为每单位 3.23 美元。在这两种情况下，高速都是以高偏置电流和限制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
| 模型 | 器件/封装 | 电源 | 带宽 | 偏置电流 | 转换率 | 输出电流 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| (修订中) | （嘛） | |||||
| LM12CL | 1 | 15 / 80 | 0.7 | 1000 | 9 | 13,000 |
| LM7171 | 1 | 5.5 / 36 | 200 | 12,000 | 4100 | 100 |
是的，LM12CL 实际上的额定输出电流为_13 安培_（13,000 毫安）！考虑到设备的原始功率，它的标价为 14.40 美元，这并不是很多钱。另一方面，LM7171 以高电流输出能力换取快速电压输出能力（高压摆率）。它的标价为 1.19 美元，与一些“通用”运算放大器一样低。
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，长期以来以其精密放大器产品线而闻名的 Burr-Brown 和 Analog Devices 公司提供采用预先设计的封装的仪表放大器以及其他专用放大器设备。在维修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。
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