運(yùn)算放大器的分類及特點(diǎn)，運(yùn)算放大器的分類及特點(diǎn)

一、運(yùn)算放大器的分類及特點(diǎn)

自模擬運(yùn)算放大器誕生以來已有40多年的歷史。最早的工藝是采用硅NPN工藝，后來改進(jìn)為硅NPN-PNP工藝（以下簡稱標(biāo)準(zhǔn)硅工藝）。結(jié)場效應(yīng)晶體管（JFET）技術(shù)成熟后，又進(jìn)一步加入了JFET工藝。當(dāng)MOS管技術(shù)成熟時(shí)。特別是在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，通過使用混合模擬和數(shù)字電路技術(shù)解決了直流小信號(hào)的直接處理問題。

經(jīng)過多年的發(fā)展，模擬運(yùn)算放大器技術(shù)已經(jīng)非常成熟，性能完美，種類繁多。這使得初學(xué)者不知道如何選擇合適的。為了方便初學(xué)者選擇，本文采用過程分類和功能/性能分類等兩種分類方法對(duì)集成模擬運(yùn)算放大器進(jìn)行分類，便于讀者理解，這種方法可能與通常的分類方法不同。

1.1 基于制造工藝的分類

根據(jù)制造工藝，目前使用的集成模擬運(yùn)算放大器可分為標(biāo)準(zhǔn)硅工藝運(yùn)算放大器、在標(biāo)準(zhǔn)硅工藝中結(jié)合JFET工藝的運(yùn)算放大器和在標(biāo)準(zhǔn)硅工藝中結(jié)合MOS工藝的運(yùn)算放大器。按工藝分類是為了方便初學(xué)者了解處理技術(shù)對(duì)集成模擬運(yùn)算放大器性能的影響，快速掌握運(yùn)算放大器的特性。

基于標(biāo)準(zhǔn)硅工藝的集成模擬運(yùn)算放大器的特點(diǎn)是低開環(huán)輸入阻抗、低輸入噪聲、增益略低、成本低、精度低、功耗高。這是因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)硅工藝的集成模擬運(yùn)算放大器內(nèi)部都是NPN-PNP管?？紤]到頻率特性，中間增益級(jí)不能太多，這樣會(huì)使總增益變小，一般在80~110dB之間。標(biāo)準(zhǔn)硅工藝可與激光校正技術(shù)相結(jié)合，大大提高集成模擬運(yùn)算放大器的精度。目前溫度漂移參數(shù)可達(dá)0.15ppm。通過改變標(biāo)準(zhǔn)的硅工藝，我們可以設(shè)計(jì)通用運(yùn)算放大器和高速運(yùn)算放大器。典型的例子是LM324。

在標(biāo)準(zhǔn)硅工藝中采用JFET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(jí)改進(jìn)為JFET，大大提高了運(yùn)算放大器的開環(huán)輸入阻抗，并順便提高了通用運(yùn)算放大器的轉(zhuǎn)換速度。其他集成模擬運(yùn)算放大器類似于標(biāo)準(zhǔn)硅工藝運(yùn)算放大器。典型的開環(huán)輸入阻抗約為1000m歐姆。典型的例子是TL084。

在標(biāo)準(zhǔn)硅工藝中采用MOS工藝的運(yùn)算放大器分為三類：

（1）第一種是將標(biāo)準(zhǔn)硅工藝中集成模擬運(yùn)算放大器的輸入級(jí)改進(jìn)為MOS

FET，與JFET相比，大大提高了運(yùn)算放大器的開環(huán)輸入阻抗，提高了通用運(yùn)算放大器的轉(zhuǎn)換速度。其他集成模擬運(yùn)算放大器類似于標(biāo)準(zhǔn)硅工藝運(yùn)算放大器。典型的開環(huán)輸入阻抗約為
10 ^ 12 歐姆。典型的例子是CA3140。

（2）第二種是采用全MOS FET技術(shù)的模擬運(yùn)算放大器，大大降低了功耗，但電源電壓降低，功耗大大降低。其典型的開環(huán)輸入阻抗約為 10 ^ 12歐姆。

（3）第三類是采用全MOS

FET技術(shù)的模擬數(shù)字混合運(yùn)算放大器，主要用于利用斬波穩(wěn)定技術(shù)提高直流信號(hào)的處理精度。輸入失調(diào)電壓可達(dá)0.01uV。溫度漂移參數(shù)可達(dá)0。目前為 02

頁/分鐘。在處理直流信號(hào)時(shí)接近理想的運(yùn)算放大器特性。其典型的開環(huán)輸入阻抗約為 10 ^ 12 歐姆。典型的例子是ICL7650.1。

1.2 基于功能/性能的分類

根據(jù)功能/性能分類，模擬運(yùn)算放大器一般可分為通用運(yùn)算放大器、低功耗運(yùn)算放大器、精密運(yùn)算放大器、高輸入阻抗運(yùn)算放大器、高速運(yùn)算放大器、寬帶運(yùn)算放大器和高壓運(yùn)算放大器。還有一些特殊的運(yùn)算放大器，如可編程運(yùn)算放大器、電流運(yùn)算放大器、電壓跟隨器等。事實(shí)上，為了滿足應(yīng)用的需要，運(yùn)算放大器有很多種。本文基于上述簡單的分類法。

也就是說，隨著技術(shù)的進(jìn)步，分類門檻一直在變化。例如，之前的LM108最初被歸類為精密運(yùn)算放大器，現(xiàn)在只能歸類為通用運(yùn)算放大器。此外，還有低功耗和高輸入阻抗的運(yùn)算放大器，或者類似地，它也可能屬于不止一類。

通用運(yùn)算放大器是最便宜的運(yùn)算放大器，具有最基本的功能。這種類型的放大器使用最廣泛。

在通用運(yùn)算放大器的基礎(chǔ)上，大大降低了低功耗運(yùn)算放大器的功耗。它可用于功耗有限的場所，例如手持設(shè)備（PDA）。它具有低靜態(tài)功耗和低至接近電池電壓的低工作電壓。此外，它可以在低壓級(jí)保持良好的電氣性能。隨著MOS技術(shù)的發(fā)展，低功耗放大器不再是單個(gè)現(xiàn)象。低功耗運(yùn)算放大器的靜態(tài)功耗一般小于1

MW。

精密運(yùn)算放大器是一種集成運(yùn)算放大器，具有非常低的漂移和噪聲以及非常高的增益和共模抑制比，也稱為低漂移運(yùn)算放大器或低噪聲運(yùn)算放大器。這類運(yùn)算放大器的溫度漂移一般低于1uV/°C。由于技術(shù)進(jìn)步，早期部分運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓相對(duì)較高，可能高達(dá)1

mV;現(xiàn)在精密運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓可以達(dá)到0.1 mV;采用斬波穩(wěn)定技術(shù)的精密運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓可達(dá)0.005

mV。精密運(yùn)算放大器主要用于需要放大處理精度的領(lǐng)域，如自動(dòng)儀表等。

高輸入阻抗運(yùn)算放大器通常是指以JFET或MOS管作為輸入級(jí)的集成運(yùn)算放大器。這包括帶有全MOS管的集成運(yùn)算放大器。高輸入阻抗運(yùn)算放大器的輸入阻抗一般大于109歐姆。作為高輸入阻抗運(yùn)算放大器的一個(gè)側(cè)面特征，轉(zhuǎn)換速度相對(duì)較高。高輸入阻抗運(yùn)算放大器被廣泛使用。例如，采樣保持電路、積分器、對(duì)數(shù)放大器、儀表放大器、帶通濾波器等。

高速運(yùn)算放大器是一種具有高轉(zhuǎn)換速度的運(yùn)算放大器。通常，轉(zhuǎn)換速度在100V /

us以上。高速運(yùn)算放大器用于高速AD/DA轉(zhuǎn)換器、高速濾波器、高速采樣保持、鎖相環(huán)、模擬乘法器、保密比較和視頻電路。目前，最高轉(zhuǎn)換速度可以達(dá)到6，000 V /

us。

寬帶運(yùn)算放大器是指具有-3dB帶寬（BW）的集成運(yùn)算放大器，其帶寬比一般運(yùn)算放大器寬得多。許多高速運(yùn)算放大器具有寬帶寬，也可以稱為高速寬帶運(yùn)算放大器。這種分類是相對(duì)的。同一運(yùn)算放大器在不同工作條件下的分類可能會(huì)有所不同。寬帶運(yùn)算放大器主要用于處理輸入信號(hào)的帶寬更寬的電路。

高壓運(yùn)算放大器旨在滿足高輸出電壓或高輸出功率的要求。它主要用于解決耐壓、動(dòng)態(tài)范圍和功耗問題。高壓運(yùn)算放大器的電源電壓可以高于±20

VDC。輸出電壓可以高于±20 VDC。

二、運(yùn)算放大器的主要參數(shù)

集成運(yùn)算放大器的參數(shù)很多，其中主要參數(shù)是直流參數(shù)和交流參數(shù)。

主要的直流參數(shù)包括輸入失調(diào)電壓、輸入失調(diào)溫度漂移（稱為輸入失調(diào)電壓漂移）、輸入偏置電流、輸入失調(diào)電流、輸入失調(diào)電流溫度漂移（簡稱輸入失調(diào)電流漂移）、差模開環(huán)直流電壓增益、共模抑制比、電源電壓抑制比、輸出峰值點(diǎn)電壓、

最大共模輸入電壓和最大差模輸入電壓。

主要交流參數(shù)包括開環(huán)帶寬、單位增益帶寬、轉(zhuǎn)換速率SR、全功率帶寬、內(nèi)置時(shí)間、等效輸入噪聲電壓、差模輸入阻抗、共模輸入阻抗和輸出阻抗。

讓我們以NE5532為例：

2.1 直流參數(shù)

以下是NE5532的直流電氣特性：

輸入失調(diào)電壓 VIO

輸入失調(diào)電壓定義為集成運(yùn)算放大器輸出電壓為零時(shí)兩個(gè)輸入端子之間的補(bǔ)償電壓。輸入失調(diào)電壓實(shí)際上反映了運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路對(duì)稱性。對(duì)稱性越好，輸入失調(diào)電壓越小。輸入失調(diào)電壓對(duì)運(yùn)算放大器非常重要，特別是對(duì)于精密放大器或直流放大器。因此，它是精密運(yùn)算放大器的一個(gè)極其重要的參數(shù)。

輸入失調(diào)電壓溫度漂移 αVIO （ 輸入失調(diào)電壓漂移）

輸入失調(diào)電壓溫度漂移定義為給定溫度范圍內(nèi)輸入失調(diào)電壓變化與溫度變化之比。該參數(shù)實(shí)際上是對(duì)輸入失調(diào)電壓的補(bǔ)充。它可以輕松計(jì)算放大器在給定工作范圍內(nèi)由于溫度變化引起的漂移。一般運(yùn)算放大器的輸入失調(diào)電壓在±10~20μV/°C范圍內(nèi)。精密運(yùn)算放大器的輸入失調(diào)電壓溫度漂移小于±1μV/°C。

輸入偏置電流 IIBS

輸入偏置電流定義為運(yùn)算放大器的輸出直流電壓為零時(shí)兩個(gè)輸入端子之間的平均偏置電流。輸入偏置電流與制造工藝有關(guān)。雙極性工藝（即上述標(biāo)準(zhǔn)硅工藝）的輸入偏置電流在±10nA~1μA之間。以FET為輸入級(jí)的放大器的輸入偏置電流一般小于1nA。

輸入失調(diào)電流IIO

輸入失調(diào)電流定義為放大器的輸出直流電壓為零時(shí)兩個(gè)輸入端子之間的偏置電流差。輸入失調(diào)電流也反映了放大器內(nèi)部電路的對(duì)稱性。對(duì)稱性越好，輸入失調(diào)電流越小。輸入失調(diào)電流對(duì)運(yùn)算放大器非常重要，特別是對(duì)于精密放大器或直流放大器。

輸入失調(diào)電流溫度漂移 αVIO （ 輸入失調(diào)電流漂移）

輸入失調(diào)電流溫度漂移定義為給定溫度范圍內(nèi)輸入失調(diào)電流變化與溫度變化之比。該參數(shù)實(shí)際上是對(duì)輸入失調(diào)電流的補(bǔ)充。它可以輕松計(jì)算放大器在給定工作范圍內(nèi)由于溫度變化引起的漂移。

最大共模輸入電壓

當(dāng)放大器工作在線性區(qū)域且共模抑制比（CMR）明顯變差時(shí)，最大共模輸入電壓定義為運(yùn)算放大器的共模輸入電壓。共模輸入電壓一般定義為共模抑制比降低到6dB時(shí)的最大共模輸入電壓。最大共模輸入電壓限制輸入信號(hào)中的最大共模輸入電壓。在發(fā)生干擾的情況下，在電路設(shè)計(jì)中應(yīng)注意這個(gè)問題。

共模抑制比

共模抑制比定義為運(yùn)算放大器處于線性區(qū)域時(shí)差模增益與共模增益之比。共模抑制比是一個(gè)非常重要的參數(shù)，它可以抑制差模輸入。正常工作時(shí)的共模抑制比在 80 到

120 dB 之間。

輸出的峰值點(diǎn)電壓

輸出的峰值點(diǎn)電壓定義為運(yùn)算放大器在線性區(qū)域和指定負(fù)載下工作時(shí)，由大電源電壓供電時(shí)，運(yùn)算放大器可以輸出的最大電壓幅度。

2.2 交流參數(shù)

以下是NE5532的交流電氣特性：

開環(huán)帶寬

開環(huán)帶寬定義為當(dāng)一個(gè)小幅度正弦信號(hào)輸入到運(yùn)算放大器輸入時(shí)對(duì)應(yīng)的信號(hào)頻率，測得的開環(huán)電壓增益從運(yùn)算放大器的直流增益下降3db（或相當(dāng)于運(yùn)算放大器的直流0.707增益）。這用于非常小的信號(hào)處理。

統(tǒng)一增益帶寬 GB

單位增益帶寬定義為當(dāng)小幅度正弦信號(hào)輸入運(yùn)算放大器輸入時(shí)相應(yīng)的信號(hào)頻率，測得從運(yùn)算放大器的輸出閉環(huán)電壓增益下降3db（或相當(dāng)于運(yùn)算放大器輸入信號(hào)的0.707）。單位增益帶寬是一個(gè)非常重要的指標(biāo)。對(duì)于正弦小信號(hào)放大，單位增益帶寬等于輸入信號(hào)頻率與該頻率下最大增益的乘積。換句話說，當(dāng)知道要處理的信號(hào)頻率和信號(hào)時(shí)，可以計(jì)算單位增益帶寬并選擇合適的運(yùn)算放大器。這適用于小信號(hào)處理中的運(yùn)算放大器選擇。

壓擺率 SR

運(yùn)算放大器的壓擺率定義為在運(yùn)算放大器連接到閉環(huán)的情況下，當(dāng)大信號(hào)（包括階躍信號(hào)）輸入到運(yùn)算放大器的輸入端時(shí)，放大器輸出端測得的放大器的輸出速率是大信號(hào)處理的一個(gè)非常重要的指標(biāo)。對(duì)于一般運(yùn)算放大器，壓擺率為SR

《= 10V/μs;對(duì)于高速運(yùn)算放大器，壓擺率為SR》

10V/μs。目前的高速運(yùn)算放大器最大壓擺率SR已達(dá)到6000V/μs。這用于大信號(hào)處理中的運(yùn)算放大器選擇。

全功率帶寬 FPBW

全功率帶寬定義為運(yùn)算放大器以全功率工作的頻率范圍。該頻率受運(yùn)算放大器壓擺率的限制。大約，全功率帶寬 = SR/ 2πVop（Vop

是運(yùn)算放大器的峰值輸出幅度）。全功率帶寬是大信號(hào)處理中運(yùn)算放大器選擇的一個(gè)非常重要的指標(biāo)。

差模輸入阻抗（輸入阻抗）

差模輸入阻抗（DMI）定義為運(yùn)算放大器在線性區(qū)域工作時(shí)，兩個(gè)輸入端子之間的電壓變化與相應(yīng)輸入電流的比值。差模輸入阻抗包括輸入電阻和輸入電容。在低頻時(shí)，它僅指輸入電阻。一般產(chǎn)品僅提供輸入電阻。采用雙極晶體管作為輸入級(jí)的運(yùn)算放大器的輸入電阻不超過10兆歐姆;場效應(yīng)晶體管（FET）在輸入級(jí)的輸入電阻通常大于109歐姆。

輸出阻抗

輸出阻抗定義為將信號(hào)電壓添加到線性區(qū)域中工作的運(yùn)算放大器的輸出時(shí)，該電壓變化與相應(yīng)電流變化的比率。。在低頻時(shí)，它僅指運(yùn)算放大器的輸出電阻。