運算放大器設計基礎

運算放大器（簡(jiǎn)稱(chēng)“運放”）的作用是調節和放大模擬信號。常見(jiàn)的應用包括數字示波器和自動(dòng)測試裝置、視頻和圖像計算機板卡、醫療儀器、電視廣播設備、航行器用顯示器和航空運輸控制系統、汽車(chē)傳感器、計算機工作站和無(wú)線(xiàn)基站。

理想的運放

理想的運放如圖1所示。通過(guò)電阻元件（或者更普遍地通過(guò)阻抗元件）施加的負反饋可以產(chǎn)生兩種經(jīng)典的閉環(huán)運放配置中的任何一種：反相放大器（圖2）和非反相放大器（圖3）。這些配置中的閉環(huán)增益的經(jīng)典等式顯示，放大器的增益基本上只取決于反饋元件。另外，負反饋還可以提供穩定、無(wú)失真的輸出電壓。

電壓反饋（VFB）運放

電壓反饋運放與前文介紹的理想運放一樣，它們的輸出電壓是兩個(gè)輸入端之間電壓差的函數。為設計用途，電壓反饋運放的數據表定義5種不同的增益：開(kāi)環(huán)增益（AVOL）、閉環(huán)增益、信號增益、噪聲增益和環(huán)路增益。

負反饋可以改變AVOL的大小。對高精度放大器來(lái)說(shuō)，無(wú)反饋運放的AVOL值非常大，約為160dB或更高（電壓增益為10，000或更高）。

圖1：理想的運放。

AVOL的范圍很大，在數據表中它通常以最小/最大值給出。AVOL還隨著(zhù)電壓電平、負載和溫度的變化而變化，但這些影響都很小，通?？梢院雎圆挥?。

當運放的反饋環(huán)路閉合時(shí)，它可以提供小于A(yíng)VOL的閉環(huán)增益。閉環(huán)增益有信號增益和噪聲增益兩種形式。

信號增益（A）指輸入信號通過(guò)放大器產(chǎn)生的增益，它是電路設計中頭等重要的增益。下面給出了電壓反饋電路中信號增益的兩個(gè)最常見(jiàn)的表達式，它們被廣泛用在于反相和同相運放配置中。

圖2：反相放大器（a）和非反相放大器（b）是兩種經(jīng)典的閉環(huán)運放配置。

對于反相放大器，A = -Rfb/Rin

對于同相放大器，A = 1 + Rfb/Rin

其中，Rfb是反饋電阻，Rin是輸入電阻。

噪聲增益指運放中的噪聲源增益，它反映了放大器的輸入失調電壓和電壓噪聲對輸出的影響。噪聲增益的等式與上述同相放大器的信號增益等式相同。噪聲增益非常重要，因為它被用來(lái)確定電路穩定性。另外，噪聲增益還是在波特圖中使用的閉環(huán)增益，波特圖可以向電路設計工程師提供放大器的最大帶寬和穩定性信息。環(huán)路增益等于開(kāi)環(huán)增益與閉環(huán)增益之差，或者等于輸入信號通過(guò)放大器并由反饋網(wǎng)絡(luò )返回至輸入端的總增益。

圖3：（a）波特圖上的開(kāi)環(huán)增益和噪聲增益曲線(xiàn)；（b）電流反饋運放的頻率響應。

電壓反饋運放的增益帶寬積

理想運放的增益和帶寬都是無(wú)限大的。最常見(jiàn)的真實(shí)運放采用電壓反饋，這種運放的增益和頻率在被稱(chēng)為“增益帶寬積（GBW）”的特性中是有關(guān)系的。電壓反饋運放中的這種關(guān)系允許電路設計工程師通過(guò)控制反饋電阻（或者阻抗），在帶寬和增益之間進(jìn)行折衷。

對數響應曲線(xiàn)（波特圖）給出 了電壓反饋運放的增益隨頻率的變化關(guān)系，并有助于解釋GBW。從直流到由反饋環(huán)路的主極點(diǎn)決定的頻率之間，增益是恒定不變的。在該頻率之上，增益以6dB/8倍程或20dB/10倍程的速率衰減。這稱(chēng)為單極或者一階響應。6dB/8倍程的衰減速率意味著(zhù)如果頻率升高一倍，增益就會(huì )減半。電壓反饋運放的這種特性使電路設計工程師可在帶寬和增益之間進(jìn)行折衷。

在一個(gè)波特圖中畫(huà)出運放的開(kāi)環(huán)增益和噪聲增益曲線(xiàn)，兩者的交叉點(diǎn)決定了最大帶寬或放大器的閉環(huán)頻率（fCL）（圖4）。這兩條曲線(xiàn)的交叉點(diǎn)在波特圖增益軸（縱軸）上處于比最大增益小3dB的位置上。事實(shí)上，噪聲增益漸近地逼近開(kāi)環(huán)增益。漸近響應和真實(shí)響應在fCL上下各一個(gè)倍程上之差將為1dB。

圖4：（a）運放的輸入失調電壓；（b）運放的輸入偏置電流。

電流反饋（CFB）運放

在電流反饋運放中，開(kāi)環(huán)響應是輸出電壓對輸入電流的響應。因此，與電壓反饋運放不同，電流反饋運放輸入和輸出之間的關(guān)系不是用增益表示，而是跨阻來(lái)表示，單位為歐姆。但更常見(jiàn)的是采用跨阻表示，因此電流反饋運放也被稱(chēng)為跨阻放大器。電流反饋運放的跨阻在500k?～1M?之間。

與電壓反饋運放不同，電流反饋運放沒(méi)有恒定的增益帶寬積。也就是說(shuō)，當增益隨著(zhù)頻率增加而滾降時(shí)，滾降速度不等于6dB/8倍程。電流反饋運放可以在較寬的增益范圍內保持高帶寬，但這是以反饋阻抗的選擇有限制為代價(jià)的。例如，其中一個(gè)限制就是電流反饋運放的反饋環(huán)路中不允許有電容，因為電容會(huì )使高頻下的反饋阻抗降低，從而導致振蕩。由于同樣原因，雜散電容也必須控制在運放的反相輸入端周?chē)?。另外，電流反饋運放頻率響應曲線(xiàn)的斜率特性要比電壓反饋運放的好，雖然雜散電容會(huì )削弱電流反饋運放的這個(gè)優(yōu)勢。

電流反饋運放和電壓反饋運放的不同特性還體現在其它方面。例如，電流反饋運放具有獲得最大帶寬的最佳反饋電阻值。增大反饋電阻會(huì )導致帶寬降低，而降低電阻則將減小相位余量，并導致放大器不穩定。電流反饋運放的數據表提供在一個(gè)增益范圍內所對應的最佳反饋電阻值，以及電源電壓值以便使放大器具有最大帶寬，這對設計過(guò)程很有幫助。最佳反饋電阻值對許多因素都比較敏感，甚至對運放的封裝類(lèi)型也敏感。數據表可能根據封裝是小外形IC （SOIC）封裝還是雙列封裝（DIP），給出不同的電阻值。

運放的重要特性

如果運放兩個(gè)輸入端上的電壓均為0V，則輸出端電壓也應該等于0V。但事實(shí)上，輸出端總有一些電壓，該電壓稱(chēng)為失調電壓VOS。如果將輸出端的失調電壓除以電路的噪聲增益，得到結果稱(chēng)為輸入失調電壓或輸入參考失調電壓。這個(gè)特性在數據表中通常以VOS給出。VOS被等效成一個(gè)與運放反相輸入端串聯(lián)的電壓源。必須對放大器的兩個(gè)輸入端施加差分電壓，以產(chǎn)生0V輸出。

VOS隨著(zhù)溫度的變化而改變，這種現象稱(chēng)為漂移，漂移的大小隨時(shí)間而變化。漂移的溫度系數TCVOS通常會(huì )在數據表中給出，但一些運放數據表僅提供可保證器件在工作溫度范圍內安全工作的第二大或者最大的VOS。這種規范的可信度稍差，因為T(mén)CVOS可能是不恒定的，或者是非單調變化的。

VOS漂移或者老化通常以mV/月或者mV/1，000小時(shí)來(lái)定義。但這個(gè)非線(xiàn)性函數與器件已使用時(shí)間的平方根成正比。例如，老化速度1mV/1，000小時(shí)可轉化為大約3mV/年，而不是9mV/年。老化速度并不總是在數據表中給出，即便是高精度運放。

理想運放的輸入阻抗無(wú)窮大，因此不會(huì )有電流流入輸入端。但是，在輸入級中使用雙極結晶體管（BJT）的真實(shí)運放需要一些工作電流，該電流稱(chēng)為偏置電流（IB）。通常有兩個(gè)偏置電流：IB+和IB-，它們分別流入兩個(gè)輸入端。IB值的范圍很大，特殊類(lèi)型運放的偏置電流低至60fA（大約每3?s通過(guò)一個(gè)電子），而一些高速運放的偏置電流可高達幾十mA。

單片運放的制造工藝趨于使電壓反饋運放的兩個(gè)偏置電流相等，但不能保證兩個(gè)偏置電流相等。在電流反饋運放中，輸入端的不對稱(chēng)特性意味著(zhù)兩個(gè)偏置電流幾乎總是不相等的。這兩個(gè)偏置電流之差為輸入失調電流IOS，通常情況下IOS很小。

總諧波失真（THD）是指由于放大器的非線(xiàn)性而產(chǎn)生的基頻的諧波分量。通常情況下只需要考慮二次和三次諧波，因為更高次諧波的振幅將大大縮小。

THD+N（THD+噪聲）是器件產(chǎn)生噪聲的原因，它是指不包括基頻在內的總信號功率。大多數的數據表都給出THD+N的值，因為大多數測量系統不區分與諧波相關(guān)的信號和噪聲。THD和THD + N都被用來(lái)度量單音調（single-tone）正弦波輸入信號產(chǎn)生的失真。

個(gè)更有用且更嚴格的失真度衡量指標是互調失真（IMD），它可度量由雙音調（two-tone）交互干擾的結果而不僅僅是一個(gè)載波所產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)范圍。根據不同應用，一些二階IMD分量可能可以濾除，但三階分量的濾除則要更困難些。因此，數據表通常給出器件的三階截取點(diǎn)（IP3），這是三階IMD效應的一種最基本度量方式。因為三階串擾產(chǎn)物引起的信號損壞在許多應用中（特別是在無(wú)線(xiàn)電接收機中）都非常普遍，而且很?chē)乐?，所以這個(gè)參數十分重要。

1dB壓縮點(diǎn)代表輸出信號與理想輸入/輸出傳輸函數相比增益下降1dB時(shí)的輸入信號電平。這是運放動(dòng)態(tài)范圍的結束點(diǎn)。

信噪比（SNR）定義了從最大信號電平至背景噪聲的RMS電平的動(dòng)態(tài)范圍（以dB為單位）。

其它特性在射頻（RF）應用中變得非常重要。例如，動(dòng)態(tài)范圍是器件能承受的最大輸入電平與器件能提供可接受的信號質(zhì)量的最小輸入電平之間的比，如果器件的輸入電平處于這兩點(diǎn)之間，則器件可提供相對線(xiàn)性的特性（在放大器的限制條件下），若輸入電平不在這兩點(diǎn)之間，器件就會(huì )產(chǎn)生失真。

運放的類(lèi)型

運放的供電

第一款單片運放正常工作所需的電源電壓范圍為±15V。如今，由于電路速度的提高和采用低功率電源（如電池）供電，運放的電源正在向低電壓方向發(fā)展。

盡管運放的電壓規格通常被指定為對稱(chēng)的兩極電壓（如±15 V），但是這些電壓卻不一定要求是對稱(chēng)電壓或兩極電壓。對運放而言，只要輸入端被偏置在有源區域內（即在共模電壓范圍內），那么±15V的電源就相當于+30V/0V電源，或者+20V/–10V電源。運放沒(méi)有接地引腳，除非在單電源供電應用中把負電壓軌接地。運放電路的任何器件都不需要接地。

高速電路的輸入電壓擺幅小于低速器件。器件的速度越高，其幾何形狀就越小，這意味著(zhù)擊穿電壓就越低。由于擊穿電壓較低，器件就必須工作在較低電源電壓下。

如今，運放的擊穿電壓一般為±7V左右，因此高速運放的電源電壓一般為±5V，它們也能工作在+5V的單電源電壓下。

對通用運放來(lái)說(shuō)，電源電壓可以低至+1.8V。這類(lèi)運放由單電源供電，但這不一定意味必須采用低電源電壓。單電源電壓和低電壓這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)是兩個(gè)相關(guān)而獨立的概念。

運放的工藝技術(shù)

運放主要采用雙極性工藝技術(shù)，但在要求在同一芯片中集成模擬和數字電路的應用中，采用CMOS工藝的運放工作得很好。JFET有時(shí)在輸入級采用，以增加輸入阻抗，從而降低輸入偏置電流。FET輸入運放（無(wú)論是N溝道還是P溝通）允許芯片設計工程師設計出輸入信號電平可擴展至負電壓軌和正電壓軌的運放。

由于BJT是電流控制型器件，所以輸入級中的雙極晶體管總是汲取一些偏置電流（IB）（圖7）。但是，IB會(huì )流經(jīng)運放外部的阻抗，產(chǎn)生失調電壓，從而導致系統錯誤。制造商通過(guò)在輸入級采用super-beta晶體管或通過(guò)構建一個(gè)補償偏置輸入架構，來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。super-beta晶體管具有極窄的基極區，該基極區所產(chǎn)生的電流增益要比標準BJT中的電流增益大得多。這使得IB非常低，但這是以頻率響應性能降低為代價(jià)的。在偏置補償輸入中，小電流源被加在輸入晶體管的基極，這樣，電流源可提供輸入器件所需的偏置電流，從而大幅減小外部電路的凈電流。

與BJT相比，CMOS運放的輸入阻抗要高得多，從而使該電流源輸出的偏置電流和失調也小得多。另一方面，與BJT相比，CMOS運放具有更高的固有失調電壓和更高的噪聲電壓，特別是在頻率較低的情況下。

按應用對運放進(jìn)行分類(lèi)

芯片制造商利用不同的電路設計和工藝技術(shù)來(lái)強調針對特定應用的某些運放特性。上表列出了這些運放類(lèi)型的常用術(shù)語(yǔ)，以及它們的特性和應用范圍。