应用工程师咨询：为什么有这么多类型的运算放大器？

问：为什么有这么多不同类型的运算放大器？

A.因为在不同的应用中有很多重要的参数，并且不可能一次优化所有参数。运算放大器可以选择速度、噪声（电压、电流或两者）、输入失调电压和漂移、偏置电流及其漂移以及共模范围。其他因素可能包括功率：输出、耗散或电源、环境温度范围和封装。不同的电路架构和制造工艺优化了不同的性能参数。

Q. 运算放大器的设计中是否有任何共同因素？

A. 是的，大多数经典（电压输入）运算放大器是三级器件，由具有差分输入和差分输出的输入级组成，具有良好的共模抑制，然后是具有高电压增益和（通常）单极点频率响应的差分输入单端输出级;最后是输出级，通常具有单位电压增益。

问：那么区别在哪里？

A.此基本设计有许多可能的变化。其中最基本的是输入级的结构。该级几乎总是一对长尾器件，也就是说，如图所示连接了一对放大器件，但器件的选择对运算放大器的输入参数有着深远的影响。该图是用热离子管绘制的，以避免任何偏袒任何特定半导体器件的暗示。由于目前热离子器件通常没有IC芯片形式，因此单片运算放大器将具有由双极性或场效应晶体管构建的输入级。

下图显示了用双极晶体管构建的长尾对。其强大的特点是低噪声，以及通过适当的调整，低电压偏移。此外，如果将此类级调整为最小失调电压，则其固有的失调漂移最小。它的主要缺点源于晶体管的发射极和基极电流的比例性;如果发射极电流大到足以使级具有合理的带宽，则基极电流以及偏置电流将相对较大（通用运算放大器为50至1，000 nA，高速运算放大器高达10 μA）。

反相和同相输入中的偏置电流是单极性的，并且匹配良好（它们的差值称为失调电流），并且随着温度的升高而以较小的方式减小。在许多应用中，精确匹配可用于补偿其高绝对值。该图显示了一个偏置补偿电路，其中同相输入中的偏置电流以R为单位流动。c（称为偏置补偿电阻）;当反相输入中的偏置电流流过R2时，这可补偿压降。Rc标称上等于R1和R2的并联组合——可以对其进行调整以最小化由于非零失调电流引起的误差）。

这种偏置补偿仅在偏置电流匹配良好时才有用。如果它们不匹配，偏置补偿电阻实际上可能会引入误差。

如果需要双极性输入级而没有如此高偏置电流的缺点，则芯片设计人员可以使用不同形式的偏置补偿（下图）。使用相同的长尾对，但每个基极所需的大部分电流由芯片上的电流发生器提供。这样可以将外部偏置电流降低到10 nA或更低，而不会影响失调、温度漂移、带宽或电压噪声。偏置电流随温度的变化相当小。

这种架构有两个缺点：电流噪声增加，外部偏置电流不匹配（实际上，它们实际上可能沿相反方向流动，或者随着芯片温度的变化而改变极性）。对于许多应用，这些功能没有缺点;事实上，最流行的低失调运算放大器架构之一OP-07就是使用这种架构，OP-27、OP-37和AD707也是如此，其保证失调电压仅为15 μV。 当数据手册明确指定双极性偏置电流（例如±4.0 nA）时，通常可以识别这种类型的偏置放大器。

在甚至几纳安的偏置电流也无法忍受的情况下，双极晶体管通常被场效应器件取代。过去，MOSFET对于运算放大器输入级来说有些嘈杂，尽管现代处理技术正在克服这一缺点。由于MOSFET也往往具有相对较高的失调电压，因此结型FET（JFET）用于高性能低偏置电流运算放大器。该图显示了典型的JFET运算放大器输入级。

JFET的偏置电流与器件中流动的电流无关，因此即使是宽带JFET放大器也可能具有极低的偏置电流值，只有几十皮安是司空见惯的，AD549在室温下的保证偏置电流小于60 fA（每三微秒一个电子！

“室温下”的鉴定至关重要——JFET的偏置电流是其栅极二极管的反向漏电流，硅二极管的反向漏电流随着温度每升高10°C而增加一倍。因此，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°C至125°C之间，JFET运算放大器的偏置电流增加了1，000倍以上。（同样的定律也适用于MOSFET放大器，因为大多数MOSFET放大器的偏置电流是其栅极保护二极管的漏电流。

JFET放大器的失调电压可以在制造过程中进行调整，但最小失调不一定对应于最小温度漂移。因此，有必要在JFET运算放大器中分别调整失调和漂移，这导致电压失调和漂移值略大于最佳双极性放大器（250 μV和5 μV/°C是最佳JFET运算放大器的典型值）。然而，ADI公司最近的研究产生了一种获得专利的修整方法，有望在下一代JFET运算放大器中产生更好的值。

因此，我们看到，在运算放大器中，失调电压、失调漂移、偏置电流、偏置电流温度变化和噪声之间存在权衡，并且不同的架构优化了不同的特性。下表比较了三种最常见的运算放大器架构的特性。我们应该注意另一个类别，以新型AD705为代表，使用双极性超β输入晶体管;它结合了低失调电压和漂移以及低偏置电流和漂移。

运算放大器输入级的特性

	简单	偏置补偿双极	事实
失调电压	低	低	中等
偏移漂移	低	低	中等
偏置电流	高	中等	低-非常低
偏见匹配	非常好	差（电流可能相反方向）	公平
偏置/温度变化	低	低	每升高 10°C，偏置就会翻倍
噪声	低	低	公平

Q. 用户还应该了解运算放大器的哪些其他特性？

A.JFET运算放大器遇到的一个常见问题是相位反转。如果JFET运算放大器的输入共模电压过于接近负电源，则反相和同相输入端子将反向工作。负反馈变为正反馈，电路可能会闭锁。这种闩锁不太可能具有破坏性，但可能必须关闭电源才能纠正它。该图显示了这种相位反转在不发生闩锁的电路中的影响。通过使用双极性放大器或以某种方式限制信号的共模范围，可以避免该问题。

如果输入信号变得比相应的运算放大器电源更正或更负，则双极性和JFET运算放大器中都可能发生更严重的闩锁形式。如果输入端子的正电压高于+Vs + 0.7 V或负值高于-Vs - 0.7 V，则电流可能会流入通常偏置关闭的二极管。这反过来又可能打开由运算放大器中的某些扩散形成的晶闸管（SCR），使电源短路并损坏器件。

为避免这种破坏性的闩锁，必须防止运算放大器的输入端子超过电源。这可能会在器件开启期间产生重要影响：如果在运算放大器上电之前将信号施加到运算放大器上电，则在通电时可能会立即被破坏。每当存在风险时，无论是信号超过电源电压，还是运算放大器上电前存在的信号，都应用二极管（最好是快速低压肖特基二极管）箝位有风险的端子，以防止发生闩锁。可能还需要限流电阻来防止二极管电流过大（见图）。

这种保护电路本身就会引起问题。二极管中的漏电流可能会影响电路的误差预算（如果使用玻璃封装二极管，如果暴露在荧光环境照明下，由于光电效应，它们的漏电流可能会调制在 100 或 120 Hz，从而产生嗡嗡声和直流漏电流）;限流电阻中的约翰逊噪声可能会使电路的噪声性能恶化;在电阻中流动的偏置电流可能会使失调电压明显增加。在设计这种保护时，必须考虑所有这些影响。

审核编辑：郭婷