《你好，放大器》之四：IC時代來了，1.0版的集成運算放大器

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為什么要用集成運算放大器？
回過頭來看晶體管運算放大器，價格高的令人吃驚，因此昂貴的晶體管運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。

真正讓運算放大器從陽春白雪，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算放大器的大量生產(chǎn)。

晶體管運算放大器性能還不能令人滿意
應(yīng)用過晶體管的工程師或者仔細閱讀過晶體管數(shù)據(jù)的電子工程師和電子愛好者都知道，晶體管參數(shù)對溫度變化很敏感，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、電壓增益就會發(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，就會嚴重的影響電路的工作狀態(tài)，特別是運算放大器的差分輸入級，所以在P45晶體管運算放大器中，輸入級采用了差分對管。即便如此，在實際應(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，晶體管運算放大器的輸入阻抗太低，僅僅為兩個晶體管的r_be，很難超過10kΩ。這對于今天的運算放大器里理論來說簡直就是災(zāi)難。

企盼體積更小的運算放大器
如何比較容易的獲得高性能的運算放大器？如何進一步減小電路的體積？

集成電路給了工程師一個很好的啟示—用集成電路構(gòu)成運算放大器！

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

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

第一個集成運算放大器μA702是1963年在美國仙童公司誕生。

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那時的集成運算放大器性能在現(xiàn)在看來是很差的。如開環(huán)增益約1000倍，電源電壓也是+12V、-6V，輸出級僅僅是發(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。可以想象，電子線路理論在那時就已經(jīng)很成熟了。

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

早期集成運算放大器的代表性型號如μA702，對應(yīng)國產(chǎn)型號為8FC1。μA702內(nèi)部等效電路如圖。
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μA702內(nèi)部等效電路

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

隨著集成電路制造技術(shù)的進步，單個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，使得全互補發(fā)射極跟隨器輸出級得以實現(xiàn)。集成運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算放大器的性能。

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

μA709內(nèi)部等效電路

μA709應(yīng)用時最大的問題就是如何做好補償（自動控制理論中的校正），如果做不好就會發(fā)生自激振蕩，這就是μA709的最大弱點。需要在設(shè)計時修正集成運算放大器中各級的頻率特性。

很快，第一代集成運算放大器被第二代集成運算放大器所取代。

最早的集成運算放大器用在哪里？高科技軍事產(chǎn)品，如當(dāng)時的彈道導(dǎo)彈等。相比之下，集成運算放大器要比晶體管運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：放大器簡史

摘要：運算放大器來源于電子線路，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，自此開創(chuàng)了電子技術(shù)時代。K2-W型運放是第一批商品化的運放……

系列之二： 真空管運算放大器的年代

摘要：1930年及后來的30年間，美國貝爾實驗室利用負反饋技術(shù)來改善放大器的性能。這導(dǎo)致了真空管運算放大器的問世，即應(yīng)用真空管負反饋放大器構(gòu)成通用的“運算放大器”……

系列之三：真空管運放的終結(jié)者—晶體管運算放大器

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

系列之五：2.0版的集成運放，有源負載替代了集電極電阻

摘要：1967年：美國國家半導(dǎo)體公司推出 LM101，改善了許多重要問題，使集成電路運算放大器開始流行……

系列之六：那些技高一籌的集成運算放大器（1）

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

系列之七：那些技高一籌的集成運放（2）

摘要：書接上回，還有很多特殊性能的集成運算放大器以及新型集成運算放大器來滿足不同應(yīng)用的特殊需求……

系列之八：集成運放的理論挑戰(zhàn)—深度負反饋惹的禍

摘要：電子技術(shù)基礎(chǔ)課程中，往往是說負反饋的優(yōu)點多，負反饋的缺點卻很少提及，頂多就是深度負反饋可能會引起自激振蕩。那么在實際應(yīng)用中應(yīng)用集成運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放—性能，性能

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

系列之十：集成運放的優(yōu)勢—模擬之母

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

系列之十一：集成運放還有哪些好處？

摘要：在三類城市，集成運算放大器可以以0.8元的零售價買到四運算放大器（LM324），而小信號雙極型晶體管的零售價至少要0.2元，電阻的單價也要0.02~0.03元，電容器的單價也要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)成的電路沒有競爭力……