模擬又掛科了？看懂模擬運(yùn)放想掛都難

　1． 模擬運(yùn)放的分類及特點(diǎn)
　　模擬運(yùn)算放大器從誕生至今，已有40多年的歷史了。最早的工藝是采用硅NPN工藝，后來改進(jìn)為硅NPN-PNP工藝（后面稱為標(biāo)準(zhǔn)硅工藝）。在結(jié)型場效應(yīng)管技術(shù)成熟后，又進(jìn)一步的加入了結(jié)型場效應(yīng)管工藝。當(dāng)MOS管技術(shù)成熟后，特別是CMOS技術(shù)成熟后，模擬運(yùn)算放大器有了質(zhì)的飛躍，一方面解決了低功耗的問題，另一方面通過混合模擬與數(shù)字電路技術(shù)，解決了直流小信號直接處理的難題。
　　經(jīng)過多年的發(fā)展，模擬運(yùn)算放大器技術(shù)已經(jīng)很成熟，性能曰臻完善，品種極多。這使得初學(xué)者選用時(shí)不知如何是好。為了便于初學(xué)者選用，本文對集成模擬運(yùn)算放大器采用工藝分類法和功能/性能分類分類法等兩種分類方法，便于讀者理解，可能與通常的分類方法有所不同。
　　1．1．根據(jù)制造工藝分類
　　根據(jù)制造工藝，目前在使用中的集成模擬運(yùn)算放大器可以分為標(biāo)準(zhǔn)硅工藝運(yùn)算放大器、在標(biāo)準(zhǔn)硅工藝中加入了結(jié)型場效應(yīng)管工藝的運(yùn)算放大器、在標(biāo)準(zhǔn)硅工藝中加入了MOS工藝的運(yùn)算放大器。按照工藝分類，是為了便于初學(xué)者了解加工工藝對集成模擬運(yùn)算放大器性能的影響，快速掌握運(yùn)放的特點(diǎn)。
　　標(biāo)準(zhǔn)硅工藝的集成模擬運(yùn)算放大器的特點(diǎn)是開環(huán)輸入阻抗低，輸入噪聲低、增益稍低、成本低，精度不太高，功耗較高。這是由于標(biāo)準(zhǔn)硅工藝的集成模擬運(yùn)算放大器內(nèi)部全部采用NPN-PNP管，它們是電流型器件，輸入阻抗低，輸入噪聲低、增益低、功耗高的特點(diǎn)，即使輸入級采用多種技術(shù)改進(jìn)，在兼顧起啊挺能的前提下仍然無法擺脫輸入阻抗低的問題，典型開環(huán)輸入阻抗在1M歐姆數(shù)量級。為了顧及頻率特性，中間增益級不能過多，使得總增益偏小，一般在80~110dB之間。標(biāo)準(zhǔn)硅工藝可以結(jié)合激光修正技術(shù)，使集成模擬運(yùn)算放大器的精度大大提高，溫度漂移指標(biāo)目前可以達(dá)到0.15ppm。通過變更標(biāo)準(zhǔn)硅工藝，可以設(shè)計(jì)出通用運(yùn)放和高速運(yùn)放。典型代表是LM324。
　　在標(biāo)準(zhǔn)硅工藝中加入了結(jié)型場效應(yīng)管工藝的運(yùn)算放大器主要是將標(biāo)準(zhǔn)硅工藝的集成模擬運(yùn)算放大器的輸入級改進(jìn)為結(jié)型場效應(yīng)管，大大提高運(yùn)放的開環(huán)輸入阻抗，順帶提高通用運(yùn)放的轉(zhuǎn)換速度，其它與標(biāo)準(zhǔn)硅工藝的集成模擬運(yùn)算放大器類似。典型開環(huán)輸入阻抗在1000M歐姆數(shù)量級。典型代表是TL084。
　　在標(biāo)準(zhǔn)硅工藝中加入了MOS場效應(yīng)管工藝的運(yùn)算放大器分為三類，一類是是將標(biāo)準(zhǔn)硅工藝的集成模擬運(yùn)算放大器的輸入級改進(jìn)為MOS場效應(yīng)管，比結(jié)型場效應(yīng)管大大提高運(yùn)放的開環(huán)輸入阻抗，順帶提高通用運(yùn)放的轉(zhuǎn)換速度，其它與標(biāo)準(zhǔn)硅工藝的集成模擬運(yùn)算放大器類似。典型開環(huán)輸入阻抗在10^12歐姆數(shù)量級。典型代表是CA3140。
　　第二類是采用全MOS場效應(yīng)管工藝的模擬運(yùn)算放大器，它大大降低了功耗，但是電源電壓降低，功耗大大降低，它的典型開環(huán)輸入阻抗在10^12歐姆數(shù)量級。
　　第三類是采用全MOS場效應(yīng)管工藝的模擬數(shù)字混合運(yùn)算放大器，采用所謂斬波穩(wěn)零技術(shù)，主要用于改善直流信號的處理精度，輸入失調(diào)電壓可以達(dá)到 0.01uV，溫度漂移指標(biāo)目前可以達(dá)到0.02ppm。在處理直流信號方面接近理想運(yùn)放特性。它的典型開環(huán)輸入阻抗在10^12歐姆數(shù)量級。典型產(chǎn)品是 ICL7650。
　　1．2．按照功能/性能分類
　　本分類方法參考了《中國集成電路大全》集成運(yùn)算放大器。
　　按照功能/性能分類，模擬運(yùn)算放大器一般可分為通用運(yùn)放、低功耗運(yùn)放、精密運(yùn)放、高輸入阻抗運(yùn)放、高速運(yùn)放、寬帶運(yùn)放、高壓運(yùn)放，另外還有一些特殊運(yùn)放，例如程控運(yùn)放、電流運(yùn)放、電壓跟隨器等等。實(shí)際上由于為了滿足應(yīng)用需要，運(yùn)放種類極多。本文以上述簡單分類法為準(zhǔn)。
　　需要說明的是，隨著技術(shù)的進(jìn)步，上述分類的門檻一直在變化。例如以前的LM108最初是歸入精密運(yùn)放類，現(xiàn)在只能歸入通用運(yùn)放了。另外，有些運(yùn)放同時(shí)具有低功耗和高輸入阻抗，或者與此類似，這樣就可能同時(shí)歸入多個類中。
　　通用運(yùn)放實(shí)際就是具有最基本功能的最廉價(jià)的運(yùn)放。這類運(yùn)放用途廣泛，使用量最大。
　　低功耗運(yùn)放是在通用運(yùn)放的基礎(chǔ)上大降低了功耗，可以用于對功耗有限制的場所，例如手持設(shè)備。它具有靜態(tài)功耗低、工作電壓可以低到接近電池電壓、在低電壓下還能保持良好的電氣性能。隨著MOS技術(shù)的進(jìn)步，低功耗運(yùn)放已經(jīng)不是個別現(xiàn)象。低功耗運(yùn)放的靜態(tài)功耗一般低于1mW。
　　精密運(yùn)放是指漂移和噪聲非常低、增益和共模抑制比非常高的集成運(yùn)放，也稱作低漂移運(yùn)放或低噪聲運(yùn)放。這類運(yùn)放的溫度漂移一般低于1uV/攝氏度。由于技術(shù)進(jìn)步的原因，早期的部分運(yùn)放的失調(diào)電壓比較高，可能達(dá)到1mV；現(xiàn)在精密運(yùn)放的失調(diào)電壓可以達(dá)到0.1mV；采用斬波穩(wěn)零技術(shù)的精密運(yùn)放的失調(diào)電壓可以達(dá)到0.005mV。精密運(yùn)放主要用于對放大處理精度有要求的地方，例如自控儀表等等。
　　高輸入阻抗運(yùn)放一般是指采用結(jié)型場效應(yīng)管或是MOS管做輸入級的集成運(yùn)放，這包括了全MOS管做的集成運(yùn)放。高輸入阻抗運(yùn)放的輸入阻抗一般大于109歐姆。作為高輸入阻抗運(yùn)放的一個附帶特性就是轉(zhuǎn)換速度比較高。高輸入阻抗運(yùn)放用途十分廣泛，例如采樣保持電路、積分器、對數(shù)放大器、測量放大器、帶通濾波器等等。
　　高速運(yùn)放是指轉(zhuǎn)換速度較高的運(yùn)放。一般轉(zhuǎn)換速度在100V/us以上。高速運(yùn)放用于高速AD/DA轉(zhuǎn)換器、高速濾波器、高速采樣保持、鎖相環(huán)電路、模擬乘法器、機(jī)密比較器、視頻電路中。目前最高轉(zhuǎn)換速度已經(jīng)可以做到6000V/us。
　　寬帶運(yùn)放是指-3dB帶寬（BW）比通用運(yùn)放寬得多的集成運(yùn)放。很多高速運(yùn)放都具有較寬的帶寬，也可以稱作高速寬帶運(yùn)放。這個分類是相對的，同一個運(yùn)放在不同使用條件下的分類可能有所不同。寬帶運(yùn)放主要用于處理輸入信號的帶寬較寬的電路。
　　高壓運(yùn)放是為了解決高輸出電壓或高輸出功率的要求而設(shè)計(jì)的。在設(shè)計(jì)中，主要解決電路的耐壓、動態(tài)范圍和功耗的問題。高壓運(yùn)放的電源電壓可以高于±20VDC，輸出電壓可以高于±20VDC。當(dāng)然，高壓運(yùn)放可以用通用運(yùn)放在輸出后面外擴(kuò)晶體管/MOS管來代替。
　　2． 運(yùn)放的主要參數(shù)
　　本節(jié)以《中國集成電路大全》集成運(yùn)算放大器為主要參考資料，同時(shí)參考了其它相關(guān)資料。
　　集成運(yùn)放的參數(shù)較多，其中主要參數(shù)分為直流指標(biāo)和交流指標(biāo)。
　　其中主要直流指標(biāo)有輸入失調(diào)電壓、輸入失調(diào)電壓的溫度漂移（簡稱輸入失調(diào)電壓溫漂）、輸入偏置電流、輸入失調(diào)電流、輸入偏置電流的溫度漂移（簡稱輸入失調(diào)電流溫漂）、差模開環(huán)直流電壓增益、共模抑制比、電源電壓抑制比、輸出峰-峰值電壓、最大共模輸入電壓、最大差模輸入電壓。
　　主要交流指標(biāo)有開環(huán)帶寬、單位增益帶寬、轉(zhuǎn)換速率SR、全功率帶寬、建立時(shí)間、等效輸入噪聲電壓、差模輸入阻抗、共模輸入阻抗、輸出阻抗。
　　2．1直流指標(biāo)
　　輸入失調(diào)電壓VIO：輸入失調(diào)電壓定義為集成運(yùn)放輸出端電壓為零時(shí)，兩個輸入端之間所加的補(bǔ)償電壓。輸入失調(diào)電壓實(shí)際上反映了運(yùn)放內(nèi)部的電路對稱性，對稱性越好，輸入失調(diào)電壓越小。輸入失調(diào)電壓是運(yùn)放的一個十分重要的指標(biāo)，特別是精密運(yùn)放或是用于直流放大時(shí)。輸入失調(diào)電壓與制造工藝有一定關(guān)系，其中雙極型工藝（即上述的標(biāo)準(zhǔn)硅工藝）的輸入失調(diào)電壓在±1~10mV之間；采用場效應(yīng)管做輸入級的，輸入失調(diào)電壓會更大一些。對于精密運(yùn)放，輸入失調(diào)電壓一般在 1mV以下。輸入失調(diào)電壓越小，直流放大時(shí)中間零點(diǎn)偏移越小，越容易處理。所以對于精密運(yùn)放是一個極為重要的指標(biāo)。
　　輸入失調(diào)電壓的溫度漂移（簡稱輸入失調(diào)電壓溫漂）αVIO：輸入失調(diào)電壓的溫度漂移定義為在給定的溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電壓的變化與溫度變化的比值。這個參數(shù)實(shí)際是輸入失調(diào)電壓的補(bǔ)充，便于計(jì)算在給定的工作范圍內(nèi)，放大電路由于溫度變化造成的漂移大小。一般運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓溫漂在±10~20μV/℃之間，精密運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓溫漂小于±1μV/℃。