运算放大器（operational amplifier）是一种高放大倍数的直接耦合放大器，是用途极为广泛的模拟电子集成电路产品，因它曾在模拟电子计算机中作为各种数学运算器而得名。

运算放大器起源于蒸汽机时代，离心调速器的负反馈原理为其奠定基础。在20世纪20年代末和30年代初，贝尔电话实验室发明了反馈放大器原理，为运算放大器的发展铺平了道路。这一重要的发明直接导致了电子管运算放大器的首次出现，这种设备在20世纪40年代初问世。1964 年FSC公司研制出第一块集成运算放大器μA702，集成运放从1964年诞生以来，经历了4次重要的迭代，如今集成运放的应用已经大大扩展，可用于各种不同频带的放大器、振荡器、有源滤波器、模/数转换电路、高精度测量电路以及电源模块等许多场合。

运算放大器有多种外形，内部电路分为输入级、中间级和输出级，它们直接耦合。偏置电路提供稳定的偏置电流和增加电压增益。运算放大器按工作原理分类可以分为电子管运算放大器、晶体管运算放大器。按其用途分为通用型及专用型两大类。它被广泛用于集成电路、视频监控、以及开关电源电路等各个领域。

运算放大器的历史可以追溯到瓦特的蒸汽机时代。瓦特在改进纽科门蒸汽机时，关键的突破是离心调速器的发明。离心调速器首次应用了负反馈原理，实现了对蒸汽机转速的自动调节，而反馈控制思想不仅成为自动控制的核心，也深刻地影响了模拟电路领域。20世纪初，真空三极管的出现使得微弱信号的放大成为可能，这技术很快用于电话信号传输，但面临着放大器增益不稳定的问题。哈罗德·布莱克借鉴离心调速器的原理，发明了负反馈放大器，从而解决了这个问题。反馈放大器就是利用一个增益远大于实际使用增益的放大器，把一部分放大器的输出信号反馈到输入端，以反馈的信号抑制输入信号。电路的增益由无缘反馈器来控制，与放大器无关。这就是负反馈放大器的基本原理，至今仍然是运算放大器的核心原理。

正如前文所说，在20世纪20年代末和30年代初，贝尔电话实验室发明了反馈放大器原理，为运算放大器的发展铺平了道路。这一重要的发明直接导致了电子管运算放大器的首次出现，这种设备在20世纪40年代初问世，并一直使用到第二次世界大战。第二次世界大战后，真空管运算放大器经过改进和完善，但它们仍然体积庞大、耗电量高。

真空管运算放大器具有庞大体积和高功耗，例如M9型真空管运算放大器的6L6管总功耗约25W，包括阳极和灯丝功耗。其他真空管的损耗也很高，导致整个放大器的最低功耗达到20W。而与之相比，现代集成运算放大器通常只需数百毫瓦功耗，差距巨大。此外，真空管运算放大器需要大量的辅助设备，如灯丝变压器、高压变压器、整流滤波电路以及交流稳压电源，使整个系统变得笨重而复杂。到 50 年代，晶体管运算放大器制成，不仅缩小了体积，而且降低了功耗和电源电压，形成了比较理想的部件，其功能也远远超过了模拟运算的范围，被广泛地应用于各种电子技术领域中。

1964 年FSC公司研制出第一块集成运算放大器μA702，世界上第一块单片集成运算放大器。它把电路中所有的晶体管和电阻以及元件之间的连线一并制作在一小块晶圆上，使之由“部件”变成了一个小器件，人们可以直接把它作为一种通用性器件灵活使用。

第一代集成运放以1965年问世的FC3为代表。它的特点是采用了微电流源，共模负反馈和标准的电源电压(士15V)在开环电压增益、输入电阻、失调电压、温漂和共模输入电压范围等技术指标方面，都比一般的分立元件直接耦合放大电路有所改善。

第二代集成运放以1966 年问世的F007或5G24为代表。它的特点是采用了恒流源负载，进一步提高了开环差模电压增益;把放大级数由三级减为两级，使防止自激的工作比较简单，一般只要外接30pF的电容器(F007 已在电路内部预制)。在电路中还有过载保护，以防止集成运放因过流而损坏。

第三代集成运放以1972年问世的4E325为代表。它的特点是采用“超管”组成输入级，并且在版图设计中考虑了热反馈的效应，因此在开环电压增益、共模抑制比、失调电压、失调电流和温漂等方面的技术指标又都有所改善。

第四代集成运放以1973年问世的HA2900 为代表。它的特点是制造工艺进入了大规模集成的阶段，将场效应管和双极型管兼容在同一块硅片上，并且还采取调制和解调等措施，使失调电压和温漂进一步下降，在一般情况下不需要调零即可使用其性能指标。

现在，集成运放的应用已经大大扩展，可用于各种不同频带的放大器、振荡器、有源滤波器、模/数转换电路、高精度测量电路中以及电源模块等许多场合。

中国半导体集成电路的型号命名按照GB 3430——82，应由五部分组成：如CF0741CT，其各符号含义如图所示。

集成运放电路符号如图所示。它有两个输入端和一个输出端，其中标“+”或“”的端表示同相输入端，标“_”或“”的端表示反相输入端。输出端处标有正号，表示输出信号与从同相端输入的信号的极性相同，与从反相端输入的信号的极性相反。

集成运放的等效电路如图所示，其中 表示运放的差模输入电阻，表示运放的输出电阻。

集成运算放大器的外形通常有双列直插式、扁平式及圆简式等多种，集成运算放大器内部电路一般由输入级、中间级和输出级组成，级间直接耦合。集成运算放大器等部件如图所示。

集成运放的输入级是关键部分，要求高输入电阻、降低零漂、抑制干扰。通常由三极管、结型场效应管或绝缘栅型场效应管构成差动放大电路，带恒流源，提高输入阻抗，降低零漂，增强共模抑制等性能。输入级通常在低电流状态工作以获得高输入阻抗。

中间级主要用于电压放大，以实现总增益。获得运放的总增益通常要求尽量提高电压放大倍数，并提供大的输出电流。为此，通常采用一级或多级的共发射极电路，带有恒流源负载，可以实现极高的增益，有时可达几千倍以上。

输出级需要低输出电阻、强负载能力、大电压和电流输出，并具备过载保护。通常采用射极跟随器或互补射极跟随器来实现低输出阻抗，增强负载驱动能力和扩展电流动态范围。

偏置电路提供稳定偏置电流，决定工作点，同时可提高电压增益。各级电路通常使用各种恒流源组合。

在理想情况下，运算放大器的增益为无穷大，但实际上在开环模式中，增益仅约超过200,000。开环模式中， 输出与输入间没有反馈，电压增益（）最大。如图1所示，在实际电路中，两个输入端间有很微小的电压，就会使输出电压趋向最大电源电平。由于运算放大器的内部电压降，输出的最大电压只有电源电压的90%左右。这样的输出便称为是饱和了，并可用 和表示输出的两个极性。开环模式主要用在电压比较器和电平检测电路中。运算放大器的通用性表现在它能以闭环模式应用到许多类型的电路中。如图2所示，外接元件用来使一部分输出电压反馈给反向输入端。这种反馈可使大多数电路稳定并能降低噪声电平。电压增益（）将小于开环模式中的最大增益。

实际电路中，闭环增益必须控制在某个数值上。在反相输入端串入一个电阻（如图3），就能控制运算放大器的增益。电路中的电压增益由和的比值确定，并用公式表示为：，公式中用负号只表示运算放大器电路是反向输入接法而不影响计算。例如，若=10kΩ、=100kΩ，则=10。即若有0.01V的输入电压将会产生出0.1V的输出电压。如果=1kΩ，则增加到100。此时，0.01V的输入电压便产出1V的输出电压。

如果和的数值相同，则，或称为单位增益。把输出端与输入端直接连起来也能得到单位增益，如图4所示。在这种同相输入接法中，输出电压等于输入电压且。

指为了使运放的输出电压为零而必须在两个输入端之间施加的直流电压。

80~140 dB（）

输入偏置电流在标称电源电压及25℃温度下，使运算放大器静态输出电压为零时，流入(或流出)的电流平均值，BJT(三极管)为 10~100mA，FET(场效应管)为1~10 pA。

衡量集成运算放大器两个偏置电流不对称程度的一个指标一般定义为在标称电源电压及室温下，输入信号为零时，运算放大器两输入端偏置电流的差值。

最大输出电压又称输出电压摆幅，定义为运算放大器在额定电源电压和额定负载下，不出现明显失真时所得到的最大的峰值输出电压，一般比电源电压低 2~4 V(输出管饱和电压)。

增益带宽积被定义为低频或差分电增益与带宽之积，以Hz为单位。对于一个单极点放大器的频率特性而言，其 GBW 是一个常数。在实际使用时，集成“运放”几乎总是在闭环下工作。

此指标的大小表示了集成“运放”对共模信号(通常是一种干扰信号)的抑制能力。定义为开环差模增益和开环共模增益之比，工程上常用分贝来表示。共模抑制比这一指标在微弱信号放大场合非常重要，因为在许多实际场合，存在着共模干扰信号。例如，信号源是有源的电桥电路的输出，或者信号源通过较长的电缆连到放大器的输入端，它们可能引起放大器接地端与信号源接地端的电势不相同的情况，因而产生共模干扰。

根据定义，摆率(转换速率)是表示“运放”所允许的输出电压 V对时间变化率的最大值。摆速描述运放对内部电容或负载电容的充放电能力。它被定义为:当输入端加上阶跃电压使差分级处于一侧截止、一侧通导时的输出电压变化率。

在实际工作中，集成“运放”最大差模输入电压 受输入级的发射结反向击穿电压限制，在任何情况下不能超过此值，否则就会损坏器件。而输入端的最大共模电压超过 时，放大器就不能正常工作。

其他技术指标表

电子管运算放大器

优点：输入阻抗高、输出功率大、无带宽之限制。

缺点：消耗热量多、真空管寿命有限、真空管不稳定、怕震动。

晶体管运算放大器

优点：消耗热量小、寿命长、可靠度高、不怕震动。

缺点：输入阻抗低、输出功率小、频带宽度小。

真空管运算放大器、晶体管运算放大器。

晶体管运算放大器按其用途分为通用型及专用型两大类。

通用型晶体管运算放大器：通用型晶体管运算放大器的参数指标比较均衡全面，适用于一般的工程设计。一般认为，在没有特殊参数要求情况下工作的集成运放可列为通用型。由于通用型应用范围宽产量大，因而价格便宜。作为一般应用，首先考虑选择通用型。

专用型晶体管运算放大器：这类晶体管运算放大器是为满足某些特殊要求而设计的，其参数中往往有一项或几项非常突出，因而可分为:低功耗或微功耗集成运算放大器、高速集成运算放大器、宽带集成运算放大器（一般增益带宽积应大于10 MHz）、高精度集成运算放大器（特点是高增益、高共模抑制比、低偏流、低温漂、低噪声等）、高电压集成运算放大器（正常输出电压U大于22 V）、功率型集成运算放大器、高输入阻抗集成运算放大器、电流型集成运算放大器、跨导型集成运算放大器、程控型集成运算放大器、低噪声集成运算放大器、集成电压跟随器、集成电压跟随器。

晶体管运算放大器按其供电电源分类，可分为双电源集成运算放大器，单电源集成运算放大器两类。

双电源集成运算放大器：绝大部分运算放大器在设计中都是正、负对称的双电源供电，以保证运放的优良性能。

单电源集成运算放大器：这类运放采用特殊设计，在单电源下能实现零输入、零输出。交流放大时，失真较小。

晶体管运算放大器按其制作工艺分类，可分为双极型集成运算放大器、单极型集成运算放大器、双极一单极兼容型集成运算放大器三类。

双极型集成运算放大器：双极型集成运放 LM741是一种高增益通用型运算放大器，应用极为广泛，其采用 DIP-8封装。

单极型集成运算放大器：单极型运放输入阻抗高、功耗小，可在低电源电压下工作，初期产品精度低、增益小、速度慢，但目前已有低失调电压、低噪声、高速度、强驱动能力的产品，如 CL7650，OPA333，OPA2333。

双极一单极兼容型集成运算放大器：混合型运放采用双极型管与单极型管混合搭配的生产工艺，以场效应管作输入级，使输入电阻器高达 1012以上如 CA314、TLO82。

按单片封装中的运放级数分类，集成运放可分为单运放、双运放、 三运放、四运放四类。

单运放：单运放是高增益运算放大器，用于军事、工业和商业应用。

双运放：双运放就是在同一芯片上制作了两个相同的运放。这种高密度封装不仅缩小体积，更重要的是在同芯片上同时制作而成，温度变化一致，电路一致性好。

三运放：它由两级大器组成，第一级由集成运放和电阻组成的同相输入式并联差分放大器，具有非常高的阻抗。第二级是由集成运放和电阻组成的减法器，它将双端输入变为单端输入，以适应后级电路要求。

四运放：它是通用型单片高增益运算放大器既可以单电源使用，也可双电源使用。

集成运算放大器的典型应用有比例运算、加法运算、减法运算、积分运算、导数运算等。比例运算可分为反向输入和同相输入两种，输入信号从反相输入端引入的运算便是反相运算，同相输入反之；如果在反相输入端增加若干输入电路，则构成反相加法运算电路；在反相比例运算电路中，用电容 C代替 R作为反馈元件，此电路就成为积分运算电路。

随着现代电子显示设备市场的日益发展，TFT-LCD 因其高分辨率、低功耗轻重量、长寿命等特点成为液晶乃至面板显示技术的主流，并被广泛应用在大、中、小尺寸的主流电子产品中。低功耗、高集成度、高分辨率的薄膜晶体管显示集成芯片需要能够驱动大容性负载、大带宽等特性的低功耗多级运算放大器。

视频监控在现代社会安全防范系统中有重要作用，视频监控系统的主要组成部分及其作用，结合SGM916的设计电路结构及其应用所具有的优势，提出了采用SGM9116作为监控系统中的视频运算放大器。视频分配器可把一路视频输入信号分配成多路视频输出信号，以供多台视频设备同时使用。

在新型轨对轨运算放大器中，通过联合应用浮栅结构以及负反馈电路，能够保证共模电平恒定，同时通过应用折叠式共源共栅电路，可保证电路增益。运算放大器用于监测开关电源的输出电压，并与设定值进行比较，然后根据比较结果来控制开关元件的工作，以维持输出电压稳定。这种反馈控制是开关电源的核心，确保输出电压在所需范围内。

直流电压表是用集成运放构成的直流电压表被测电压接于运算放大器的同相输入端，运放的输出端接有量程为 150mV 的电压表，为了扩大电压表的程，输入端接有由电阻 R1R8 组成的分压器。集成运放接成同相比例运算电路，其输出电压为运放同相输入端的电压，它与被测电压U成正比，比例系数取决于分压器的分压比。

不少传感器本身是电桥电路(如电容式压力变送器)或接成电桥测量电路(如应变片传感器、温度传感器、气敏传感器等)。接成电桥测量电路可消除传感器的温度误差，而温度传感器接成电桥电路则是为了在测量温度最低值时，使输出为零。

运算放大器 F007的同相端加一固定电势，当蓄电池的电压低于某一值时，放大器反向端电位比同相端低。这个信号被 F007 与扩大输出电流能力组成的增益为10 倍的放大器放大后，使继电器接通充电电路，蓄电池便自动充电。

用 F007 集成运放可构成简单的串联调整稳压电源。在此电路中，F007 集成运放实际上就是一个同相输入的跟随器。稳压管的稳压值为 9V，通过电位器的分压，给放大器的同相输入端提供09V 的连续可调参考电压。