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陈永真:集成运算放大器及发展历程

2018-03-20 17:54 来源:陈永真 编辑:电源网

作者简介:陈永真,辽宁工业大学教授,长期从事电力电子技术的教学、科研工作。他所研制的“铁路客车荧光灯逆变器”唯一通过铁道部标准“TB/T2219-81”的全部测试,参加 过“十五”期间的国家“863”计划电动汽车重大专项“解放牌混合动力城市客车用超级电容器”项目,并出版电容和通用集成电路等相关领域的专著。

运算放大器来源于电子线路,与电子技术的发展息息相关。

运算放大器是每位电子工程师必须研习的对象,为了给工程师们提供优质的电子工程知识,电源网有幸邀请国内权威运算放大器应用专家陈永真为大家讲授运算放大器的相关知识。陈永真,辽宁工业大学教授,长期从事电力电子技术的教学、科研工作。他所研制的“铁路客车荧光灯逆变器”唯一通过铁道部标准“TB/T2219-81”的全部测试,参加 过“十五”期间的国家“863”计划电动汽车重大专项“解放牌混合动力城市客车用超级电容器”项目,并出版电容和通用集成电路等相关领域的专著。下面请大家认真听陈永真教授的精彩课程吧!

4. 集成运算放大器及发展历程

4.1 为什么要用集成运算放大器?

回过头来看晶体管运算放大器,价格高的令人吃惊,因此昂贵的晶体管运算放大器仅能用于高科技、军工产品,一般的电子设备中还得用晶体管甚至还要用真空管。

真正让运算放大器从阳春白雪,变为大众均可以应用的基本电子器件真的得益于通用型集成运算放大器的大量生产。

4.2 晶体管运算放大器性能还不能令人满意

应用过晶体管的工程师或者仔细阅读过晶体管数据的电子工程师和电子爱好者都知道,晶体管参数对温度变化很敏感,如PN结正向电压、转移特性、共发射极电流增益、跨导等。

一旦这些参数变化,由晶体管构成的放大器的静态工作点、电压增益就会发生很大的变化,而这些变化在很多应用中是不允许的。

还有更恐怖的,这就是电路中的晶体管的结温不同,结温变化不同,就会严重的影响电路的工作状态,特别是运算放大器的差分输入级,所以在P45晶体管运算放大器中,输入级采用了差分对管。即便如此,在实际应用中也不能确保电路中的各晶体管的温度变化一致,晶体管运算放大器在不同的温度下的工作状态也不同,甚至需要工作在很窄的温度范围,这就是为什么早期的晶体管系统需要空调的原因。

除此之外,晶体管运算放大器的输入阻抗太低,仅仅为两个晶体管的rbe,很难超过10kΩ。这对于今天的运算放大器里理论来说简直就是灾难。

4.3  企盼体积更小的运算放大器

如何比较容易的获得高性能的运算放大器?如何进一步减小电路的体积?

集成电路给了工程师一个很好的启示—用集成电路构成运算放大器!

时至今日,集成运算放大器可以做到SOT23封装,与1206封装的贴片电阻体积相同,过去的整块电路板的晶体管运算放大器但现在的SOT23封装的集成运算放大器,其体积的进步绝对不亚于从真空管运算放大器到晶体管运算放大器的革命。

4.4早期集成运算放大器μA702、μA709

20世纪60年代,集成电路制造技术水平相对现在还是很低的,单片硅片上能做出来的晶体管还是不多的。

第一个集成运算放大器μA702是1963年在美国仙童公司诞生。

那时的集成运算放大器性能现在看起来是很差的。如开环增益约1000倍,电源电压也是+12V、-6V,输出级仅仅是发射极跟随器电路,输入阻抗也很低,为20kΩ左右,这是现在所不能想象的。当时的集成电路中还仅仅能集成NPN晶体管,而且已经有了镜像恒流源这样的电路。可以想象,电子线路理论在那时就已经很成熟了。

用现在的观点看,那个时代的集成运算放大器根本算不上集成运算放大器,但是与相同功能的晶体管放大电路相比,电路还是简单得多,这就是集成电路的魅力。

早期集成运算放大器的代表性型号如μA702,对应国产型号为8FC1。μA702内部等效电路如图。

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μA702内部等效电路

μA702一问世立刻应用在弹道导弹中,体积小、重量轻,外电路简单是集成运算放大器最重要的优点。

随着集成电路制造技术的进步,单个硅片上可集成的晶体管数量大大增加,PNP晶体管也可以集成在同一芯片中,使得全互补发射极跟随器输出级得以实现。集成运算放大器的性能也因此飞跃性的提高,大部分性能性能接近通用型集成运算放大器的性能。

很快,在1965年就将μA702升级到μA709,这一款集成运算放大器在TI的网站上还可以查到器件的datasheet,并可以购买到这一款产品。μA709内部等效电路如图。

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μA709内部等效电路

μA709应用时最大的问题就是如何做好补偿(自动控制理论中的校正),如果做不好就会发生自激振荡,这就是μA709的最大弱点。需要在设计时修正集成运算放大器中各级的频率特性。

很快,第一代集成运算放大器被第二代集成运算放大器所取代。

最早的集成运算放大器用在哪里?高科技军事产品,如当时的弹道导弹等。相比之下,集成运算放大器要比晶体管运算放大器体积小得多、性能好得多、耗电低得多。

4.5最早的第二代集成运算放大器LM301

1967年:美国国家半导体公司推出 LM101,改善了许多重要问题,使集成电路运算放大器开始流行;

第二代集成运算放大器的标志是有源负载替代了集电极电阻,这使得第二代集成运算放大器的开环增益相对第一代集成运算放大器有极大的提高。

第二代集成运算放大器最早的产品式有现在还在用的LM301。LM301(当时军品型号为LM101)在1967年问世,这是一款除了需要外补偿,其它的特性均与第三代集成运算放大器基本相同。

与μA709相比,LM301的频率补偿要比μA709简单得多。

LM301内部等效电路如图。

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LM301内部等效电路

由于在集成运算放大器中,NPN晶体管的性能优于PNP晶体管的性能,在第二代集成运算放大器中还是避免过多的使用PNP晶体管。输出级采用了准互补发射极跟随电路的输出级。PNP晶体管也仅仅用于输入级的共射—共基差分放大电路的共基极差分放大电路。因此LM301内部等效电路要比第三代通用集成运算放大器复杂。

第二代集成运算放大器采用了输入级、中间放大级、输出级的三级放大模式,开环频率特性曲线穿越0dB时会超过180°,也就是说在单位负反馈(跟随器状态下)集成运算放大器将进入不稳定的自激震荡状态。在实际应用中需要进行频率补偿,使集成运算放大器不产生自激振荡。

由于需要外设频率补偿电路,使得电子工程师在设计电路时感到麻烦,为了简化电路设计,消除频率补偿设计的麻烦,从LM741以后的集成运算放大器将频率补偿做在集成运算放大器内部—内补偿方式。

4.6 内补偿通用型集成运算放大器

1968年:飞兆半导体公司推出 μA741,与 LM101 相比,μA741内部增加了30pF的频率补偿电容。该产品第二来源众多,迄今仍然在生产使用,它是有史以来最成功的运算放大器,也是极少数最长寿的IC型号之一;

通用型集成运算放大器是应用最多、价格最便宜的一类集成运算放大器。最常用的型号μA741是在1968年问世的,从外补偿到内补偿整整经历了3年,而从μA702到LM301仅仅用了2年。这类集成运算放大器的特点是综合性能一般,但是对于一般应用足够用,成为经典的集成运算放大器。

LM741典型参数为开环增益最小值20 000倍,输入失调电压典型值6mV,输入失调电流典型值200nA,输入偏置电流最大值500nA,输入电阻典型值0.3MΩ。单位增益带宽低于0.5MHz,输出电压摆动速率0.5V/μs。

如果是特殊应用,通用型集成运算放大器的性能就显得不够,需要选用特殊性能的集成运算放大器。

4.7 精密集成运算放大器

精密运算和精密测量要求测试、运算电路具有高输入电阻、低偏置电流、高开环增益、高共模抑制比、低噪声、低漂移等性能。通用型集成运算放大器不具备这些性能,需要专用的精密运算放大器。第一款精密集成运算放大器OP07(或μA714)是1975年问世的。

4.8 高速/宽带集成运算放大器

通用型集成运算放大器的开环单位增益带宽不到1MHz,输出电压摆动速率也在0.5V/μs如果需要应用在宽带或高速信号处理是显得力不从心,尽管电子技术基础教材中说负反馈可以展宽带宽。因此,需要输出电压摆动速率超过10V/μs、开环单位增益带宽在10MHz或以上的高速/宽带集成运算放大器。

例如20世纪80年代初期的μA715(1982年仙童公司线性器件数据手册中就已经有了)带宽65MHz、输出电压摆动速率18V/μs(跟随器状态),那个时期还有1971年的LM318。

4.9 低功耗集成运算放大器

一般集成运放的静态功耗在50mW以上,而低功耗型集成运放的静态功耗在5mW以下,在1mW以下者称为微功耗型。一般在便携式仪器或产品、航空航天仪器中应用。

4.10 高压集成运算放大器

工作电源电压越高,输出电压的动态范围越宽。一般电源电压在±20Ⅴ以上者称为高压型集成运放。采用场效应管作为输入级的集成运放,转换速率较高,其电源电压范围一般为±15~±40V。最高的电源电压可达±150V,最大输出电压可达±145V,如BB公司生产的3580J即是此类集成运放的典型产品。

4.11  优值集成运算放大器

1970年:开始出现输入级使用 FET ,这使得集成运算放大器具有高速、低输入电流(高输入阻抗)特性;

为了表征和比较集成运算放大器主要交直流特性参数的优劣,我们应用优值系数K:

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式中:SR是转换速率,单位是V/μs,在这里SR是指单位电压增益时的输出电压摆动速率;IIB为输入偏置电流,单位是nA;VIO是输入失调电压,单位是mV。

把优值系数大于100的集成运算放大器称为优值集成运算放大器,如表1.1所示,从中看出,只有FET和BJT单片或全MOS集成运算放大器才有可能成为优值集成运算放大器。双极型集成运算放大器虽然可以获得高精度、低功耗、高速、高耐压和低噪声等单项优异性能,但同时兼顾交直流特性是困难的。

表1.1  优值型集成运算放大器

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4.11 单电源集成运算放大器鼻祖LM324

1972年:第一个可使用单电源供应的运算放大器 LM324 推出。 LM324 内含四个运算放大器,它的接脚排列方式也被随后的同类型运算放大器延用,成为业界标准。

常规的集成运算放大器需要对称的双电源供电,这时的集成运算放大器的电源变得复杂。在一些应用中希望采用单电源供电方式常规的集成运算放大器需要将集成运算放大器的同相输入端偏置到电源中点,这时的电路不仅会变得复杂,甚至可能带来一些不确定的因素。因此,在一些特殊应用场合需要单电源供电的集成运算放大器。

今天的LM324即使在三类、四类城市购买,其零售价仅仅为0.8元,其中每个运动算放大器单元近0.2元,直逼分立元件电路价格。

4.12 低噪声集成运算放大器

在很多应用中,需要放大器自身是低噪声的。

首先是精密测量和微弱信号测量应用中,有些时候的有用信号仅仅为数十微伏,如果放大器自身的噪声高于有用信号,则放大器输出信号到底是什么就不知道了。因此,精密集成运算放大器本身必须是低噪声的。

如果是变化比较缓慢的工业应用,选用精密集成运算放大器就可以了。

除了测量微弱工业信号外,低噪声放大器的另一个应用就是音频前置放大器,如磁头放大器,话筒放大器,需要将数十微伏的有用信号放大到接近100mV,这就需要放大器具有低噪声特性。不仅如此音频低噪声集成运算放大器还需要具有不低于300倍的闭环增益,同时还要有20kHz以上的闭环带宽。这要求集成运算放大器不仅具有低噪声特性,还要具有10MHz以上的单位增益带宽。精密集成运算放大器的单位增益带宽一般不到1MHz。因此,具有低噪声特性又具有10MHz以上单位增益带宽的音频集成运算放大器应运而生,如NE5532、NE5534等型号。

4.13 集成功率放大器

集成运算放大器具有失真度低的优点,如果将集成运算放大器的输出电流、输出电压也大幅度增加,就可以成为性能优秀的集成音频功率放大器,现在的集成音频功率放大器的特性与内部等效电路还真的就是典型的集成运算放大器结构。在突出输出电压、输出功率的同时降低了输入电阻的要求,同时为了提高集成音频功率放大器的带宽和输出电压摆动速率,集成音频功率放大器的内补偿仅仅做到闭环增益为20dB条件稳定,在闭环电压增益0dB条件下可能是不稳定的。

现在的集成音频功率放大器单片最大输出功率可以达到130W。

4.14 集成比较器

在电子线路中有一种应用就是电平比较,电路的输出仅仅需要高电平或低电平,不需要中间任何状态,这种电路称为比较器电路。电子技术基础教材中用运算放大器做比较器。用集成运算放大器作为比较器电路有一个不可忽视的缺点,这就是通用型集成运算放大器的输出电压摆动速率太低,仅仅0.5V/μs。这样从-10V转换到+10V需要40μs,这个速度在电子线路中往往是不允许的。除非选用高速集成运算放大器,但这需要考虑成本问题。

因此在实际应用中,比较器电路应该用集成比较器(可以认为是集成运算放大器的一个特例)。由于集成运算放大器是应用于闭环负反馈应用状态,要求在闭环的工作模式下一定是稳定的,因此需要对集成运算放大器进行频率补偿(内补偿或外补偿),一般补偿成为单极点特性,需要大幅度的滞后校正,这是集成运算放大器速度和带宽上不去的最根本原因。

集成比较器是工作在开环或正反馈的迟滞比较工作模式,根本不需要考虑集成比较器在负反馈状态下是否稳定。因此,集成运算放大器的频率补偿也就不需要考虑了;集成比较器也不需要具有极高的开环电压增益,一般60dB就够用了,没有必要做到100dB甚至140dB,这就可以大大的简化内部等效电路;由于比较器电路仅仅需要输出高、低电平,输出级也可以做成开路集电极形式,这又可以进一步简化内部等效电路。这样集成比较器内部等效电路相对于集成运算放大器而言简化得多。

4.15 新型集成运算放大器--满幅集成运算放大器

随着集成运算放大器的应用范围越来越广,低工作电压应用场合越来越多,最低的甚至达到一颗镍氢电池的最低电压0.9V!

如果用常规的集成运算放大器,即使是3.3V的锂电池电压也不会工作。勉强能工作的5V电源电压的输出电压幅度不会超过1V!如此低的电压利用率在低电压工作模式下是不能允许的,需要大幅度提高输出电压幅度在电源电压中的比值。

输出电压幅值接近电源电压(+VCC-50mV≥VO≥GND+20mV的集成运算放大器称为满幅集成运算放大器(英文:rail-to-rail operational amplifier)。这样的集成运算放大器即使电源电压为1V时,输出电压幅值也可以超过0.9V,电压利用率超过0.9。

4.16 新型集成运算放大器--微功耗集成运算放大器

在电池供电或要求集成运算放大器的功耗极低的应用中,需要的功耗极低。例如,集成运算放大器的静态电源电流在50μA、电源电压5V,则集成运算放大器的功耗为0.25mW;如果是1V电源电压,静态电流为10μA,则集成运算放大器功耗为10μW!

4.17  开环单位增益带宽100MHz以上的集成运算放大器

随着集成运算放大器的应用领域越来越宽、电子线路也不断的拓展其应用领域。普通的30MHz~70MHz的普通意义上的宽带/高速集成运算放大器已经不能满足新的应用要求。超级宽带/高速集成运算放大器应运而生。

有一般宽带放大需要的100MHz以上的宽带集成运算放大器;也有需要闭环带宽6.5MHz(开环带宽100MHz)以上的视频放大器。

还有闭环带宽500MHz以上的CATV放大器,也有输出电压摆动速率超过1000V/μs驱动光纤传输中的激光二极管的高速驱动器。

4.18 低压集成运算放大器

随着便携电子设备越来越多,适应于3V(或2.4V)锂电池电压等级的集成运算放大器诞生。这种集成运算放大器一般工作电压范围在2.4V~5.5V。更有甚者,还出现了适用于镍氢电池电压等级的超级低压集成运算放大器。这些集成运算放大器不仅工作电压低,而且功耗也很低,有的静态电流甚至接近1μA!输出电压特性自然是满幅输出。

4.19 超级精密集成运算放大器

精密运算电路或检测电路有时需要万分之一的精度,如果要求放大器的闭环增益在100倍,就需要运算放大器的开环增益不低于100万倍,如果是1 000倍的闭环电压增益,就需要不低于1 000万倍的开环增益。基于这样的要求超级精密运算放大器的开环增益超过140dB(1 000万倍!)。与此同时,这样的集成运算放大器的共模抑制比也随之超过140dB。

现在,只要到著名模拟集成电路制造商网站都可以查到这类超级精密集成运算放大器。

4.20 极高输入电阻、极低输入偏置电流集成运算放大器

如果需要测试nV、pA、TΩ甚至是测量pF级电容器的静电电荷。需要放大器具有极低极低输入偏置电流,极高极高的输入电阻。这时800nA输入偏置电流、MΩ输入电阻的通用集成运算放大器已远远不能满足要求,即使是1nA输入偏置电流、输入电阻100MΩ的精密集成运算放大器也不能满足要求,需要尽可能高的输入电阻、尽可能低的输入偏置电流。

现在的商用集成运算放大器,最高输入电阻可以达到2TΩ(2×1012Ω)以上,输入偏置电流低到2pA。

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