四类运算放大器的技术发展趋势及其应用热点
运算放大器原理及应用
集成运算放大器将电路的元器件和连线制作在同一硅片上，制成了集成电路。
随着集成电路制造工艺的日益完善，目前已能将数以千万计的元器件集成在一片面积只有几十平方毫米的硅片上。
按照集成度（每一片硅片中所含元器件数）的高低，将集成电路分为小规模集成电路(简称SSI) ，中规模集成电路(简称MSI), 大规模集成电路(简称LSI)和超大规模集成电路(VLSI)。
运算放大器实质上是高增益的直接耦合放大电路，集成运算放大器是集成电路的一种，简称集成运放，它常用于各种模拟信号的运算，例如比例运算、微分运算、积分运算等，由于它的高性能、低价位，在模拟信号处理和发生电路中几乎完全取代了分立元件放大电路。
集成运放的应用是重点要掌握的内容，此外，本章也介绍集成运放的主要技术指标，性能特点与选择方法。
一、集成运算放大器简介1. 集成运放的结构与符号1. 结构集成运放一般由4部分组成，结构如图1所示。
图1 集成运放结构方框图其中：输入级常用双端输入的差动放大电路组成，一般要求输入电阻高，差摸放大倍数大，抑制共模信号的能力强，静态电流小，输入级的好坏直接影响运放的输入电阻、共模抑制比等参数。
中间级是一个高放大倍数的放大器，常用多级共发射极放大电路组成，该级的放大倍数可达数千乃数万倍。
输出级具有输出电压线性范围宽、输出电阻小的特点，常用互补对称输出电路。
偏置电路向各级提供静态工作点，一般采用电流源电路组成。
2. 特点：142○1 硅片上不能制作大容量电容，所以集成运放均采用直接耦合方式。
○2 运放中大量采用差动放大电路和恒流源电路，这些电路可以抑制漂移和稳定工作点。
○3 电路设计过程中注重电路的性能，而不在乎元件的多一个和少一个 ○4 用有源元件代替大阻值的电阻 ○5 常用符合复合晶体管代替单个晶体管，以使运放性能最好 3. 集成运放的符号从运放的结构可知，运放具有两个输入端v P 和v N 和一个输出端v O ，这两个输入端一个称为同相端，另一个称为反相端，这里同相和反相只是输入电压和输出电压之间的关系，若输入正电压从同相端输入，则输出端输出正的输出电压，若输入正电压从反相端输入，则输出端输出负的输出电压。
放大器的发展趋势
电流差分放大器的应用及发展运算放大器历经数十年的发展,从早期的真空管演变为现在的集成电路,根据不同的应用需求主要分化出通用型、低电压/低功耗型、高速型、高精度型四大类运放产品。
一般而言,高速运放主要用于通信设备、视频系统以及测试与测量仪表等产品;低电压/低功耗运放主要面向手机、PDA等以电池供电的便携式电子产品;高精度运放主要针对测试测量仪表、汽车电子以及工业控制系统等。
通用运算放大器应用最广,几乎任何需要添加简单信号增益或信号调理功能的电子系统都可采用通用运放。
信息家电、手机、PDA、网络等新兴应用的兴起,为运算放大器提供了活跃的舞台,同时也对其提出新的技术要求。
近年来消费电子、通讯、网络等应用领域的发展对运放产品也提出新的技术要求，更低功耗、更小封装以及良好的匹配性能都变得十分重要。
为此，设计人员在设计方法上加创新，制造工艺与封装技术的进步也为提升运放性能提供了一定的保证。
在多方因素推动下，下一代运算放大器正朝着速度更快、集成度更高、价格更低的方向发展。
几乎现阶段每个完整的电子产品中都离不开放大器,而放大器性能的提高对电子产品的功能起着重要的决定作用。
说不清是放大器的发展决定了电子产品的发展进程还是电子产品的发展需求推动了放大器的发展空间,从电子产品的发展需求和放大器的发展趋势分析中我们或许可以寻找到答案。
从市场需求的角度看，全球对放大器的需求都保持强势增长。
中国市场也不例外，尤其在消费和通讯领域。
凌特公司信号调理产品线总经理 Erik Soule 表示，“通讯和网络基础设备市场已经开始复苏，未来几年这类设备在中国会有很大增长。
而这些应用都需要高速ADC 驱动器，以及低噪声、低输入偏压运放等产品。
”[1] ADI 公司产品线经理 Curt Ventola 认为，未来放大器市场增长的驱动力主要有三方面：其一，便携式应用的低功耗要求将推动具有低操作电源电压/电流的放大器增长；其二，高分辨率应用需要能降低噪声和失真度的放大器；其三，由于性能和价格压力持续上扬，因此能够集成其他功能的放大器前景乐观。
集成运放的类型及应用
集成运放的类型及应用集成运放（即集成式运算放大器）是一种高增益、高输入阻抗以及低输出阻抗的电子放大器，广泛应用于电路设计和信号处理等领域。
下面将详细介绍集成运放的类型及应用。
1. 类型：目前，常见的集成运放有多种类型，包括普通运放、仪表运放、高速运放、低功耗运放等。
普通运放：普通运放是最常见的一种集成运放，具有宽带宽、高增益、高输入阻抗和低输出阻抗的特点。
它的主要应用领域包括信号放大、滤波、理想运算放大器电路设计等。
仪表运放：仪表运放是一种精密运放，具有高共模抑制比、低偏置电流和低噪声的特点。
它的主要应用领域包括电压、电流、温度等测量，以及精密仪器和设备的信号放大等。
高速运放：高速运放是一种具有高增益带宽积（GBW）和快速响应特性的运放，适用于高频信号处理和快速信号放大等应用。
它的主要应用领域包括通信系统、高速数据传输、高速采样和测量等。
低功耗运放：低功耗运放是针对低电源电压和低功耗要求而设计的集成运放。
它可以在低电源电压下正常工作，并具有低静态功耗和低失调电压的特点。
它的主要应用领域包括移动设备、便携式仪器和电池供电系统等。
2. 应用：集成运放作为一种重要的电子器件，在电路设计和信号处理等领域应用广泛。
下面列举一些常见的应用示例：信号放大：集成运放最常见的应用就是信号放大。
通过调整运放的增益，可以将微弱的传感器信号放大到适合后续处理的范围，如压力传感器、温度传感器等。
滤波器：集成运放可以被用来设计各种类型的滤波器，如低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器等。
滤波器的设计可以通过选择运放的反馈电阻和电容来实现。
运算放大器电路设计：运算放大器电路是运放最重要的应用之一。
基于运算放大器的电路可以实现加法、减法、乘法、除法、积分、微分等运算，并被广泛应用于模拟电路设计、自动控制系统等领域。
电压和电流测量：仪表运放常用于电压和电流测量。
通过仪表运放的高共模抑制比和低偏置电流特性，可以实现高精度和高稳定性的电压和电流测量。
运算放大器的应用论文
运算放大器简称运放，是一种多端集成电路，通常由数十个晶体管和一些电阻构成。
现已有上千种不同型号的集成运放，是一种价格低廉、用途广泛的电子器件。
早期，运放用来完成模拟信号的求和、微分和积分等运算，故称为运算放大器。
现在，运放的应用已远远超过运算的范围。
它在通信、控制和测量等设备中得到广泛应用。
一：运算放大器的分类目前广泛应用的电压型集成运算放大器是一种高放大倍数的直接耦合放大器。
在该集成电路的输入与输出之间接入不同的反馈网络,可实现不同用途的电路,例如利用集成运算放大器可非常方便的完成信号放大、信号运算（加、减、乘、除、对数、反对数、平方、开方等）、信号的处理（滤波、调制）以及波形的产生和变换。
集成运算放大器的种类非常多,可适用于不同的场合。
按照集成运算放大器的参数来分,集成运算放大器可分为如下几类。
1．通用型运算放大器通用型运算放大器就是以通用为目的而设计的。
这类器件的主要特点是价格低廉、产品量大面广,其性能指标能适合于一般性使用。
例mA741（单运放）、 LM358（双运放）、LM324（四运放）及以场效应管为输入级的LF356都属于此种。
它们是目前应用最为广泛的集成运算放大器。
2．高阻型运算放大器这类集成运算放大器的特点是差模输入阻抗非常高,输入偏置电流非常小,一般rid＞（109~1012）W,IIB为几皮安到几十皮安。
实现这些指标的主要措施是利用场效应管高输入阻抗的特点,用场效应管组成运算放大器的差分输入级。
用FET作输入级,不仅输入阻抗高, 输入偏置电流低,而且具有高速、宽带和低噪声等优点,但输入失调电压较大。
常见的集成器件有LF356、LF355、LF347（四运放）及更高输入阻抗的CA3130、CA3140 等。
3．低温漂型运算放大器在精密仪器、弱信号检测等自动控制仪表中,总是希望运算放大器的失调电压要小且不随温度的变化而变化。
低温漂型运算放大器就是为此而设计的。
目前常用的高精度、低温漂运算放大器有OP-07、OP-27、 AD508及由MOSFET组成的斩波稳零型低漂移器件IC L7650等。
运算放大器的分类
运算放大器的分类
运算放大器可以根据其内部电路结构和应用领域来分类，主要分为以下几种：
1. 基本型运算放大器：传统的运算放大器，内部由一个差分放大器和一个级联缓冲器组成，用于放大、滤波、积分、微分等基本电路。
2. 差分型运算放大器：内部电路结构和基本型类似，但增益更高，具有更高的共模抑制比和更低的失调电压。
3. 仪器放大器：专用于测量和检测的放大器，具有高共模抑制比、高精度、低噪音等特点。
4. 高速运算放大器：适用于高速信号处理，具有更高的带宽和更快的响应速度。
5. 低功耗运算放大器：适用于低功率应用，具有低静态电流、低供电电压等特点。
6. 压限放大器：用于对信号进行压限，可保护信号处理电路免受过大电压的损害。
7. 电流型运算放大器：通过输入电流控制输出电压，适用于电流驱动应用。
8. 隔离型运算放大器：可实现输入端和输出端的电气隔离，适用于对输入信号进行隔离和放大的应用。
集成运放的分类及应用
集成运放的分类及应用集成运放（Operational Amplifier, OP-AMP）是一种基本的电子元件，具有非常广泛的应用。
根据性能特点和应用功能的不同，可以将集成运放分为以下几类。
1. 低噪声运放：低噪声运放在信号处理、放大和传输等领域中应用广泛。
这些运放通常具有非常低的输入等效噪声、电压噪声和电流噪声，能够保持信号的高精确度。
它们常用于音频放大器、传感器信号放大、音频电平计等高要求的应用上。
2. 高速运放：高速运放具有快速的频率响应和瞬态响应，可以实现高速信号处理。
这些运放主要应用于高速数据转换、通信、视频处理、宽带放大器等领域。
高速运放还常用于模拟环路控制系统、高速采样和保持电路等。
3. 低功耗运放：低功耗运放适用于需要长时间使用，对电源的耗电量要求较低的应用。
它们通常具有低功耗和低供电电压，能够降低系统的能耗。
这种运放广泛应用于便携式设备、传感器网络、能量收集系统等。
4. 高精度运放：高精度运放能够实现精确的信号测量和放大，具有高精度的增益、低偏移电压、低温漂移等特点。
这些运放适用于精密测量、自动控制、医疗仪器等需要高精度信号处理的应用。
5. 低电压运放：低电压运放适用于低电压供电系统，能够在低电源电压下正常工作。
这些运放通常具有低电源电压、低功耗和低电流功耗等特点。
它们广泛应用于便携式设备、电池供电系统、太阳能电池等。
6. 特殊功能运放：这类运放具有特殊的性能或功能，用于特定的应用。
例如，差分放大器用于抑制共模噪声，比较器用于信号比较和触发，自耦变压器用于隔离输入和输出信号等。
这些特殊功能运放能够满足特定应用的需求。
集成运放广泛应用于各种电路和系统中，包括：- 信号放大和处理：可以将微弱的传感器信号放大到合适的范围，如温度传感器、压力传感器等。
- 运算放大器：可以实现加法、减法、乘法、积分、微分等运算，用于信号处理、滤波和控制电路等。
- 比较器：用于信号比较和触发，常用于开关控制、触发器电路、模拟开关等。
TI解析放大器的发展方向及新产品——三大应用热门,需要小型、高性能、低功耗及丰富的产品线
TI放大器产品部副总裁
兼总经理Amichai Ron
了该公司看好的运算放大器方向并推介了三款新品。
三大市场：汽车、工业和个人电子产品
相对于很多快速变化的市场运算放大器的演变相对较慢
易被人们察觉。
作为在运放领域多年的耕耘者，TI目前的主要投资方向是汽车、工业和个人电子产品领
93
2018.3
TI运放的投资方向
一是小尺寸；二是低功耗；三是高电压。
高电压方面，现在大部分高压运放在36 V 以下，但有些系统需要更高的电压，比如AGV 小车（自动导引运输车）电池需要40 V
85图1 TI的小型放大器TLV9061，只有0.64 mm 2。
运放及其典型应用
1、反向精密半波整流器
• 当Ui为正半周时，Δ U<0,Uout<0,故D1截止，D2 Rf 导通.故: Ui Uo=
R1
• 当Ui为负半周时，D1导通，D2截止。 故： Uo=0;
当D1和D2红线接法为反相负极性选择。
2、同相精密半波整流器
•当Ui>0时，为正半周，D1截止，D2导通。Uo= ( R1 •当Ui<0时，为负半周，D1导通，D2截止。Uo=0 此时无反馈，变成比较器，故U+≠U如构成反馈，则U+=U-.
设: K1=
I P1 IF
,K2
IP2 IF
,K3
K2 K1
Uo IP2 R 2 K 2 IF R 2 K 2
Uo K 3 R2 R1 U1 =
R2 R1 U1
I P1 K1
R2
K2 K1
U1 R1
R2
这里K3=1，由手册给定。而IF=1nA~20mA。经实测 全量程内（0~2.5V）线性度在0.2%内。
R 1R 4 R 1R S R 2 R 3 V OUTa Ro R 2V in R 1R S (因 为 R O 大 大 于 R L )
2
R S R L / /( R 3 R 4 ) R L / /( R 3 R 4 )
恒 流 输 出 条 件 : RO 所 以 : R 1R 4 R 1R S R 2 R 3 0
c、共模抑制比CMRR • 此指标表示集成运放对共模信号的抑制能力（共 模信号通常是一种干扰信号）。定义为：
C M R R 2 0 lg
A vd A vc
d、最大输入和输出电压范围 • 输入电压：（V-）+5 to （V+）-5 • 输出电压：（V-）+4 to （V+）-4
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四类运算放大器的技术发展趋势及其应
用热点
专业：2009级临床救援
姓名：于庆帅
学号：27
运算放大器历经数十年的发展，从早期的真空管演变为现在的集成电路，根
据不同的应用需求主要分化出通用型、低电压/低功耗型、高速型、高精度型四大类运放产品。
一般而言，高速运放主要用于通信设备、视频系统以及测试与测量仪表等产品；低电压/低功耗运放主要面向手机、PDA 等以电池供电的便携式电子产品；高精度运放主要针对测试测量仪表、汽车电子以及工业控制系统等。
通用运算放大器应用最广，几乎任何需要添加简单信号增益或信号调理功能的电子系统都可采用通用运放。
近年来消费电子、通讯、网络等应用领域的发展对运放产品也提出新的技术要求，更低功耗、更小封装以及良好的匹配性能都变得十分重要。
为此，设计人员在设计方法上加创新，制造工艺与封装技术的进步也为提升运放性能提供了一定的保证。
在多方因素推动下，下一代运算放大器正朝着速度更快、集成度更高、价格更低的方向发展。
从市场需求的角度看，全球对放大器的需求都保持强势增长。
中国市场也不例外，尤其在消费和通讯领域。
凌特公司信号调理产品线总经理 Erik Soule 表示，“通讯和网络基础设备市场已经开始复苏，未来几年这类设备在中国会有很大增长。
而这些应用都需要高速 ADC 驱动器，以及低噪声、低输入偏压运放等产品。
”
ADI 公司产品线经理 Curt Ventola 认为，未来放大器市场增长的驱动力主要有三方面：其一，便携式应用的低功耗要求将推动具有低操作电源电压/电流的放大器增长；其二，高分辨率应用需要能降低噪声和失真度的放大器；其三，由于性能和价格压力持续上扬，因此能够集成其他功能的放大器前景乐观。
意法半导体公司(ST)亚太区标准线性 IC 产品行销经理 Leon LEE 也指出，测试和测量、通讯、医疗影像等领域的先进应用是提升放大器性能的主要驱动力；DSL 和消费类视频应用是最大的市场，而且未来将继续此趋势。
其中，DSL 运放的增长点主要在于线路驱动器。
而整合了滤波、多路技术以及 DC 恢复等功能的消费类视频放大器也被看好。
市场调查公司 Databean 资料显示，高速、低电压/低功耗、高精度三类运算放大器的市场预计在未来的五年会稳步增长，年复合增长率分别达到 13%、8%及 11%，通用运算放大器的年复合增长率预计为 5%。
从应用的角度讲，不同的系统对运放有不同要求，选择合适的运放对于系统设计至关重要。
对于通信、高速测量仪表及超声波设备等高速应用，交流特性极为重要。
但对于低速的高精度系统，直流方面的特性则通常更为重要。
衡量系统在交流特性方面的参数有信号带宽、失真率、噪声等；而衡量系统在直流特性方面的参数有输入补偿电压、开环增益、输入偏置电流及共模抑制比等。
将从以下方面探讨这四类运放的技术发展趋势和应用热点。
一、通讯和视频应用使高速运放成为焦点
高速运放泛指频宽高于 50MHz 的运放，而现在为了与信号链后端组件(例如高速 ADC 或处理器)的需求相匹配，运放的频宽记录已突破 GHz。
这主要源于后端组件的效能近年来显著提升，因而位居信号链前端的运放为了与后端组件相匹配，以避免拖累信号链的整体效能表现，于是开始向高速化发展，未来高速运放可能跃升为主流运放产品。
据 DataBean 预测，高速运放将逐渐侵占其它运放产品的市场占有率。
以出货金额计，到 2009 年，高速运放占整体运放市场规模的比重将达到三成，而通用型运放则下降到两成以下。
Intersil 公司模拟信号处理部行销副总裁 Simon Prutton 指出，驱动高速运放市场增长的主要应用是模拟视频处理和传送以及通讯系统。
而且，伴随更高的分辨率显示和射频频谱的有效使用，这两种应用在未来将会给设计人员提出新的挑战。
意法半导体公司亚太区标准线性 IC 产品行销经理 Leon LEE 也表示，由于蜂窝电话、数码相机、DVD/TV 和多媒体应用的驱动，视频放大器等高速运放将大幅增长。
总体而言，高速运放主要应用在 xDSL 调制解调器、机顶盒以及视频系统中，或是担任高速 ADC 的前级信号调整角色。
这类运放对于信噪比和失真度的要求最为严格，因此半导体厂商在设计这种运放时，普遍采用差动输出的形式。
与传统采用“二入一出”架构的运放相比，“二进二出”的差动输出由于同时输出两个反相的信号，因此系统工程师可以通过两个信号的比较得知输出信号在未受噪声或失真影响前的波形，从而使设计工程师可以及时解决信号链上可能出现的问题。
例如 ADI 公司最新推出的高速运放 AD8045，该器件具有易用的电压反馈结构、归一化增益稳定性，以及专为高性能系统而优化的引脚输出。
器件速度达到1GHz，并具有低噪声和低失真等特性，适用于多种高速应用，包括医疗设备、自动测试设备以及数据采集系统。
针对高速视频和监控应用，Intersil 公布一款三放大器 EL5367，它采用专有的定制结构来隔离其三个放大器，该器件打破了1GHz 的速率极限。
EL5367 的总供电电流仅 25mA，可在 5V 至 12V 的单供电电压范围内工作，能够驱动高于 QXGA(2048×1536 象素)的分辨率应用。
典型的视频驱动架构采用交流耦合或直流耦合方案。
采用交流耦合的系统需要大的外部电容，但不需负电源轨。
采用支流耦合的系统不需要昂贵的大外部电容，但需要负电源轨。
Intersil 的视频放大器 ISL59830则是在芯片上生成负电源轨并允许视频信号的直流耦合，能用单独电源供电。
而凌特的 LT6555/6 是2:1 多路复用三通道视频放大器，适于 LCD 投影仪和高清晰度视频应用。
二、便携式应用催生低电压/低功耗运算放大器
随着手机、PMP 等依赖电池供电的便携式产品出现，强调低功耗、低电压的运放应运而生。
一般定义下的低电压运放，指工作电压低于伏特，而所谓的低功耗运放，通常指供电电流低于 1mA。
这类运放大多用在音频系统或是电压比较电路、滤波器等不需要太高频宽的应用。
此外，在测试、测量和医疗系统，工程
师也希望在低功耗水平下获得改进的性能(例如，更高的带宽、更快的转换率和更低的失真度)，所以在这些领域低功耗运放也有创新机会。
针对便携式视频应用，ADI 公司推出 ADA4850-X 系列放大器，能提供轨至轨(R-R)输出特性，工作电源电压低于。
该产品可大幅降低失效电流，能够延长便携式视频应用的电池寿命。
此外，ADI 的 6 通道视频放大器 ADA4410-6 还整合了视频滤波器，是一种单芯片解决方案。
该产品能够节省 50%的功耗同时具有高可靠性。
能使用户获得具有最佳高清晰度视频影像质量的低成本方案。
美信的低成本、低功耗、高端功率/电流监视器 MAX4210/MAX4211，提供与负载功耗成正比的模拟输出电压，负载功耗用负载电流乘以源极电压计算。
MAX4210/MAX4211 利用高端电流检测放大器来测量负载电流，由于不影响负载的接地通道，因而尤其适合电池供电系统。
凌特的 Erik Soule 介绍说:“由于模数转换器向更低电压、单电源和高性能发展，因此需要能够于不降低性能的前提下在共模电源轨上工作的差分放大器。
LT1994 满足了这种需求，为客户提供了能够驱动 16 位ADC 的单电源解决方案。
”
此外，凌特还发布了两款高电压(105V)电流检测放大器。
其中 LTC6101 采用小型 SOT 封装，具有 1uS 的快速响应时间和高精度；LT6100 结合高精度和管脚配置的特性，不需外部增益设置电阻。
三、通用运放在传统应用领域仍有发展空间
虽然随着应用需求不断变更，运放供货商必须顺应市场变化推出相应的新产品。
然而因为运放在业界已被广泛采用数十年之久，有些应用产品的生命周期也长达十多年，因此很多传统产品仍有其一定的市场需求，例如在汽车与工业自动化领域，就有很多设备还是需要用到传统的通用运放。
通用运放对工程师而言，可以说是最常用的半导体组件之一。
通过外部电阻的不同配置，一颗运放可以对输入信号进行各种微调后再输出，以符合信号链后端的 ADC、电源管理芯片等组件的输入信号要求。
正因为其简单易用的特性，再加上极为经济实惠的价格，因而使得这类放大器始终在出货量上稳居运放市场的主流地位。
然而，为顺应 PCB 板尺寸不断缩水，以及制造工艺发展所造成的输入电压下降的趋势，通用型运放也必须革新应变。
例如凌特推出的
LT1990/1/2/5/6 放大器，就集成了精度匹配电阻，不同型号按照高精度、高速度或高电压应用进行优化，可用作反相、非反相或差分放大器连接。
综上所述，未来高速运放有望取代通用运放成为主流产品，但从整体看，各类运放的市场规模都将呈现增长态势。
便携式音频/视频播放器、无线通讯、医疗成像、工业和仪器仪表等应用领域都将为下一代运放创造新的机会。