應(yīng)用工程師咨詢：為什么有這么多類型的運(yùn)算放大器？

問：為什么有這么多不同類型的運(yùn)算放大器？

A.因?yàn)樵诓煌膽?yīng)用中有很多重要的參數(shù)，并且不可能一次優(yōu)化所有參數(shù)。運(yùn)算放大器可以選擇速度、噪聲（電壓、電流或兩者）、輸入失調(diào)電壓和漂移、偏置電流及其漂移以及共模范圍。其他因素可能包括功率：輸出、耗散或電源、環(huán)境溫度范圍和封裝。不同的電路架構(gòu)和制造工藝優(yōu)化了不同的性能參數(shù)。

Q. 運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)中是否有任何共同因素？

A. 是的，大多數(shù)經(jīng)典（電壓輸入）運(yùn)算放大器是三級器件，由具有差分輸入和差分輸出的輸入級組成，具有良好的共模抑制，然后是具有高電壓增益和（通常）單極點(diǎn)頻率響應(yīng)的差分輸入單端輸出級;最后是輸出級，通常具有單位電壓增益。

問：那么區(qū)別在哪里？

A.此基本設(shè)計(jì)有許多可能的變化。其中最基本的是輸入級的結(jié)構(gòu)。該級幾乎總是一對長尾器件，也就是說，如圖所示連接了一對放大器件，但器件的選擇對運(yùn)算放大器的輸入?yún)?shù)有著深遠(yuǎn)的影響。該圖是用熱離子管繪制的，以避免任何偏袒任何特定半導(dǎo)體器件的暗示。由于目前熱離子器件通常沒有IC芯片形式，因此單片運(yùn)算放大器將具有由雙極性或場效應(yīng)晶體管構(gòu)建的輸入級。

下圖顯示了用雙極晶體管構(gòu)建的長尾對。其強(qiáng)大的特點(diǎn)是低噪聲，以及通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，低電壓偏移。此外，如果將此類級調(diào)整為最小失調(diào)電壓，則其固有的失調(diào)漂移最小。它的主要缺點(diǎn)源于晶體管的發(fā)射極和基極電流的比例性;如果發(fā)射極電流大到足以使級具有合理的帶寬，則基極電流以及偏置電流將相對較大（通用運(yùn)算放大器為50至1，000 nA，高速運(yùn)算放大器高達(dá)10 μA）。

反相和同相輸入中的偏置電流是單極性的，并且匹配良好（它們的差值稱為失調(diào)電流），并且隨著溫度的升高而以較小的方式減小。在許多應(yīng)用中，精確匹配可用于補(bǔ)償其高絕對值。該圖顯示了一個(gè)偏置補(bǔ)償電路，其中同相輸入中的偏置電流以R為單位流動(dòng)。c（稱為偏置補(bǔ)償電阻）;當(dāng)反相輸入中的偏置電流流過R2時(shí)，這可補(bǔ)償壓降。Rc標(biāo)稱上等于R1和R2的并聯(lián)組合——可以對其進(jìn)行調(diào)整以最小化由于非零失調(diào)電流引起的誤差）。

這種偏置補(bǔ)償僅在偏置電流匹配良好時(shí)才有用。如果它們不匹配，偏置補(bǔ)償電阻實(shí)際上可能會(huì)引入誤差。

如果需要雙極性輸入級而沒有如此高偏置電流的缺點(diǎn)，則芯片設(shè)計(jì)人員可以使用不同形式的偏置補(bǔ)償（下圖）。使用相同的長尾對，但每個(gè)基極所需的大部分電流由芯片上的電流發(fā)生器提供。這樣可以將外部偏置電流降低到10 nA或更低，而不會(huì)影響失調(diào)、溫度漂移、帶寬或電壓噪聲。偏置電流隨溫度的變化相當(dāng)小。

這種架構(gòu)有兩個(gè)缺點(diǎn)：電流噪聲增加，外部偏置電流不匹配（實(shí)際上，它們實(shí)際上可能沿相反方向流動(dòng)，或者隨著芯片溫度的變化而改變極性）。對于許多應(yīng)用，這些功能沒有缺點(diǎn);事實(shí)上，最流行的低失調(diào)運(yùn)算放大器架構(gòu)之一OP-07就是使用這種架構(gòu)，OP-27、OP-37和AD707也是如此，其保證失調(diào)電壓僅為15 μV。 當(dāng)數(shù)據(jù)手冊明確指定雙極性偏置電流（例如±4.0 nA）時(shí)，通常可以識(shí)別這種類型的偏置放大器。

在甚至幾納安的偏置電流也無法忍受的情況下，雙極晶體管通常被場效應(yīng)器件取代。過去，MOSFET對于運(yùn)算放大器輸入級來說有些嘈雜，盡管現(xiàn)代處理技術(shù)正在克服這一缺點(diǎn)。由于MOSFET也往往具有相對較高的失調(diào)電壓，因此結(jié)型FET（JFET）用于高性能低偏置電流運(yùn)算放大器。該圖顯示了典型的JFET運(yùn)算放大器輸入級。

JFET的偏置電流與器件中流動(dòng)的電流無關(guān)，因此即使是寬帶JFET放大器也可能具有極低的偏置電流值，只有幾十皮安是司空見慣的，AD549在室溫下的保證偏置電流小于60 fA（每三微秒一個(gè)電子！

“室溫下”的鑒定至關(guān)重要——JFET的偏置電流是其柵極二極管的反向漏電流，硅二極管的反向漏電流隨著溫度每升高10°C而增加一倍。因此，JFET運(yùn)算放大器的偏置電流隨溫度變化并不穩(wěn)定。實(shí)際上，在25°C至125°C之間，JFET運(yùn)算放大器的偏置電流增加了1，000倍以上。（同樣的定律也適用于MOSFET放大器，因?yàn)榇蠖鄶?shù)MOSFET放大器的偏置電流是其柵極保護(hù)二極管的漏電流。

JFET放大器的失調(diào)電壓可以在制造過程中進(jìn)行調(diào)整，但最小失調(diào)不一定對應(yīng)于最小溫度漂移。因此，有必要在JFET運(yùn)算放大器中分別調(diào)整失調(diào)和漂移，這導(dǎo)致電壓失調(diào)和漂移值略大于最佳雙極性放大器（250 μV和5 μV/°C是最佳JFET運(yùn)算放大器的典型值）。然而，ADI公司最近的研究產(chǎn)生了一種獲得專利的修整方法，有望在下一代JFET運(yùn)算放大器中產(chǎn)生更好的值。

因此，我們看到，在運(yùn)算放大器中，失調(diào)電壓、失調(diào)漂移、偏置電流、偏置電流溫度變化和噪聲之間存在權(quán)衡，并且不同的架構(gòu)優(yōu)化了不同的特性。下表比較了三種最常見的運(yùn)算放大器架構(gòu)的特性。我們應(yīng)該注意另一個(gè)類別，以新型AD705為代表，使用雙極性超β輸入晶體管;它結(jié)合了低失調(diào)電壓和漂移以及低偏置電流和漂移。

運(yùn)算放大器輸入級的特性

Q. 用戶還應(yīng)該了解運(yùn)算放大器的哪些其他特性？

A.JFET運(yùn)算放大器遇到的一個(gè)常見問題是相位反轉(zhuǎn)。如果JFET運(yùn)算放大器的輸入共模電壓過于接近負(fù)電源，則反相和同相輸入端子將反向工作。負(fù)反饋?zhàn)優(yōu)檎答?，電路可能?huì)閉鎖。這種閂鎖不太可能具有破壞性，但可能必須關(guān)閉電源才能糾正它。該圖顯示了這種相位反轉(zhuǎn)在不發(fā)生閂鎖的電路中的影響。通過使用雙極性放大器或以某種方式限制信號的共模范圍，可以避免該問題。

如果輸入信號變得比相應(yīng)的運(yùn)算放大器電源更正或更負(fù)，則雙極性和JFET運(yùn)算放大器中都可能發(fā)生更嚴(yán)重的閂鎖形式。如果輸入端子的正電壓高于+Vs + 0.7 V或負(fù)值高于-Vs - 0.7 V，則電流可能會(huì)流入通常偏置關(guān)閉的二極管。這反過來又可能打開由運(yùn)算放大器中的某些擴(kuò)散形成的晶閘管（SCR），使電源短路并損壞器件。

為避免這種破壞性的閂鎖，必須防止運(yùn)算放大器的輸入端子超過電源。這可能會(huì)在器件開啟期間產(chǎn)生重要影響：如果在運(yùn)算放大器上電之前將信號施加到運(yùn)算放大器上電，則在通電時(shí)可能會(huì)立即被破壞。每當(dāng)存在風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，無論是信號超過電源電壓，還是運(yùn)算放大器上電前存在的信號，都應(yīng)用二極管（最好是快速低壓肖特基二極管）箝位有風(fēng)險(xiǎn)的端子，以防止發(fā)生閂鎖?？赡苓€需要限流電阻來防止二極管電流過大（見圖）。

這種保護(hù)電路本身就會(huì)引起問題。二極管中的漏電流可能會(huì)影響電路的誤差預(yù)算（如果使用玻璃封裝二極管，如果暴露在熒光環(huán)境照明下，由于光電效應(yīng)，它們的漏電流可能會(huì)調(diào)制在 100 或 120 Hz，從而產(chǎn)生嗡嗡聲和直流漏電流）;限流電阻中的約翰遜噪聲可能會(huì)使電路的噪聲性能惡化;在電阻中流動(dòng)的偏置電流可能會(huì)使失調(diào)電壓明顯增加。在設(shè)計(jì)這種保護(hù)時(shí)，必須考慮所有這些影響。

審核編輯：郭婷