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04 运算放大器

问：为什么有这样多不同类型的运算放大器?

答：因为在不同的应用中有这样多的重要参数，还因为不可能使这些参数同时都达到最佳。所以运算放大器可以根据速度、噪声(电压噪声、电流噪声或两者)、输入失调电压和漂移、偏置电流和漂移及共模电压范围进行选择。与电源有关的其它选择因素还包括：输出功率、功耗、工作电压、环境温度范围和封装形式。不同的电路结构和制造工艺可对不同的性能参数进行优化。

问：运算放大器在结构上有共同点吗?

答：有。大多数类型(电压输入)运算放大器都有三级结构，第一级是带有差分输入和差分输出的输入级，具有高共模抑制；第二级是带有差分输入和单端输出的增益级，电压增益很高，一般具有单极点频率响应；第三级是输出级，通常具有单位电压增益，结构框图如图4 1所示。

图4 1 电压输入运算放大器结构框图

问：运算放大器在结构上有哪些不同点?

答：运算放大器在基本结构上有许多不同点。最主要的一点是输入级的结构。输入级几乎都是长尾对结构(一对放大器接成图4 2所示的形式)，但器件的选择对运算放大器输入参数的影响至关重要。为了避免对某种半导体器件的倾向性，这里给出的是热阴极电子管图，因为目前的热电子器件一般都不采用集成电路芯片构成输入级，而只有单片运算放大器才具有由双极型场效应管(FET)构成的输入级。

由双极型晶体管构成的长尾对式差分放大器如图4 3所示。它的主要特点是噪声很低并且适当调整后失调电压也很低。另外，如果输入级的失调电压调整到最小，那么一定会有最小的失调漂移。它的主要缺点是受晶体管的发射极电流和基极电流比例的限制。另外，如果发射极电流对输入级足够大以便有合适的带宽，那么基极电流(从而也使偏置电流)也要相当

图4 2 由热阴极电子管构成的“长尾对”差分放大器

图4 3 简单的双极型晶体管构成的差分放大器

大(通用运算放大器为50～1 000 nA，高速运算放大器高达10 μA)。

反相输入端和同相输入端的偏置电流都是单极性的并且匹配得很好(两者之差称作失调电流)，其中偏置电流较小的一路随温度增加而减小。在许多应用中，使用精密匹配电阻进行补偿来提高偏置电流。图4 4示出一个偏置电流补偿电路，其中同相输入端偏置电流经过电阻RC(称作偏置补偿电阻)。RC用来补偿反相输入端偏置电流通过电阻R2时产生的压降。RC的标称值应该等于电阻R1与R2的并联值，调整RC将非零失调电流引起的误差调至最小。这种偏置补偿仅当偏置电流匹配得很好的情况下才是有用的。如果匹配得不好，偏置补偿电阻居然会引起误差。

如果规定的双极型输入级没有这么大的偏置电流，那么运算放大器的设计者可以采用不同形式的偏置补偿(见图4 5)。虽然采用相同的长尾对，但每个基极所需要的主要电流都是由芯片内一个电流源提供

图4 4 偏置补偿电阻可使偏置电流误差减至最小

图4 5 偏置补偿双极型输入级

的。这样可使外部偏置电流减小到10 nA以下，不影响失调、温漂、带宽或电压噪声，而且偏置电流随温度变化很小。

这种结构的输入级有两个缺点：一是电流噪声增加；二是外部偏置电流匹配得不好 (实际上，当芯片温度变化时，偏置电流可沿相反方向流动或改变极性)。对于许多应用来说，这两个缺点根本不算毛病。实际上，一种最常见的低失调运算放大器OP 07就属于这种结构，同样OP 27，OP 37和AD707，它们的失调电压都仅为15 μV。当运算放大器产品说明中明确给出双极性偏置电流(例如±4 0nA)时，常常认为这种类型的放大器是偏置补偿放大器。

在甚至几个纳安(nA)的偏置电流都不允许的情况下，通常用场效应管取代双极型晶体管。在过去，MOSFET 对运算放大器的输入级还存在一定的噪声，尽管现代半导体工艺正在克服这个缺点。另外还因为MOSFET 失调电压也相当高，所以为了制造高性能低偏置电流的运算放大器，使用结型场效应管(JFET)作为输入级。典型JFET运算放大器输入级原理图如图4 6 所示。 JFET 的偏置电流与流过器件的电流无关，所以甚至宽频带JFET放大器可能有很低的偏置电流(几十皮安是常见的)，而且AD549在室温条件下保证偏置电流低于60 fA(每3 μs 一个电子)。“在室温”这个条件是很重要的，此时JFET的偏置电流等于其栅极二极管的反向漏电流，而且硅二极

图4 6 JFET 运算放大器输入级原理图

管的反向漏电流随温度每增加10°C大约增加一倍。JFET运算放大器的偏置电流随温度变化并不稳定。实际上在25～125°C温度范围内，JFET运算放大器的偏置电流能增加到1 000倍以上(这对于MOSFET运算放大器同样适用，因为多数MOSFET放大器的偏置电流等于其栅极保护二极管的漏电流)。

JFET放大器的失调电压虽然在制造期间进行了调整，但是最小的失调不一定对应最小的温度漂移。因此，

JFET运算放大器的电压失调和漂移应该分别调整，这样调整的结果要比最佳双极型放大器的电压失调和漂移数值稍大一点(最佳JFET运算放大器的电压失调和漂移典型值分别为250 μV和5 μV/°C)。但是ADI公司最近研究出一种新的专利调整方法，预期新一代的JFET运算放大器将会得到极好的结果。

因此我们可以看出，运算放大器的失调电压、失调电压漂移、偏置电流、偏置电流漂移和噪声之间存在着相互权衡的关系，而且选择不同的输入结构具有不同的输入特点。表4 1 比较了三种常见运算放大器输入结构的特点。

我们还应注意到以AD705为代表的另一类运算放大器，它采用超β双极型FET(BiFET) 工艺，它既具有低失调电压和低失调电压漂移，又具有低偏置电流和低偏置电流漂移。

问：用户还应该了解运算放大器哪些其它特性?

答：JFET运算放大器常遇到的一个问题是倒相问题。如果JFET运算放大器的输入共模电压太靠近负电源，那么反相输入端与同相输入端的作用颠倒，即负反馈变成正反馈，并且电路可能闩锁。这种闩锁不一定具有破坏性，但是要恢复正常必须关断电源。图4 7示出了电路未出现闩锁情况下的这种倒相作用。使用双极型放大器或用某种方法限制信号的共模范围可避免这种倒相问题。

表4 1 运算放大器输入级特性比较

简单双极型偏置补偿双极型 FET输入级

失调电压失调电压漂移偏置电流偏置匹配偏置电流漂移噪声低低高优良低低低低中差(电流可反向)低低

中等中等低-很低中等每增加10°C偏流加倍中等

图4 7 当输入接近负电源电压时出现的倒相

如果输入信号比相应的运算放大器的电源电压更正或更负，那么在双极型和JFET运算放大器中都会出现

较严重的闩锁。如果输入端比+VS+0 7V更正或者比-VS-0 7V更负，那么电流可能流过通常被偏置截止的二极管。这样同样可以导通由这个运算放大器的某些扩散作用形成的晶闸管(SCR)，使电源短路从而使器件损坏。

为了避免这种破坏性闩锁现象，重要的是防止运算放大器的两个输入端电压超过电源电压。在器件导通期间可能产生严重的后果：如果在接通电源电压之前对运算放大器加输入信号，那么当接通电源时可能立即损坏运算放大器。不论什么时候出现危险，不论是超过电源电压，也不论是运算放大器接通电源之前加输入信号，处于危险状态的两个输入端为防止出现闩锁，都应该用二极管箝位(最好使用快速、低正向电压的肖特基二极管)。为防止二极管电流过大还需要接限流电阻(见图4 8)。

图4 8 防止闩锁保护电路

这个保护电路本身也会带来问题。上述二极管的漏电流可能会影响该电流的误差估算。如果使用玻璃封装的二极管，并且将其暴露在荧光环境下，那么由于光电效应，其漏电流会以100 Hz或120 Hz频率被调制，从而会产生交流声及直流漏电流。限流电阻的热噪声可能更加损坏电路的噪声特性，而且流过限流电阻的偏置电流可能使失调电压明显增加。所有这些影响，在设计这种保护电路时都应该考虑。