運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

運(yùn)算放大器（簡(jiǎn)稱“運(yùn)放”）的作用是調(diào)節(jié)和放大模擬信號(hào)。常見(jiàn)的應(yīng)用包括數(shù)字示波器和自動(dòng)測(cè)試裝置、視頻和圖像計(jì)算機(jī)板卡、醫(yī)療儀器、電視廣播設(shè)備、航行器用顯示器和航空運(yùn)輸控制系統(tǒng)、汽車(chē)傳感器、計(jì)算機(jī)工作站和無(wú)線基站。

理想的運(yùn)放

理想的運(yùn)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(fù)反饋可以產(chǎn)生兩種經(jīng)典的閉環(huán)運(yùn)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(fù)反饋還可以提供穩(wěn)定、無(wú)失真的輸出電壓。

電壓反饋（VFB）運(yùn)放

電壓反饋運(yùn)放與前文介紹的理想運(yùn)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(shù)。為設(shè)計(jì)用途，電壓反饋運(yùn)放的數(shù)據(jù)表定義5種不同的增益：開(kāi)環(huán)增益（AVOL）、閉環(huán)增益、信號(hào)增益、噪聲增益和環(huán)路增益。

負(fù)反饋可以改變AVOL的大小。對(duì)高精度放大器來(lái)說(shuō)，無(wú)反饋運(yùn)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(yùn)放。

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

當(dāng)運(yùn)放的反饋環(huán)路閉合時(shí)，它可以提供小于AVOL的閉環(huán)增益。閉環(huán)增益有信號(hào)增益和噪聲增益兩種形式。

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

對(duì)于反相放大器，A = -Rfb/Rin

對(duì)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(yùn)放中的噪聲源增益，它反映了放大器的輸入失調(diào)電壓和電壓噪聲對(duì)輸出的影響。噪聲增益的等式與上述同相放大器的信號(hào)增益等式相同。噪聲增益非常重要，因?yàn)樗挥脕?lái)確定電路穩(wěn)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(shè)計(jì)工程師提供放大器的最大帶寬和穩(wěn)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(hào)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；（b）電流反饋運(yùn)放的頻率響應(yīng)。

電壓反饋運(yùn)放的增益帶寬積

理想運(yùn)放的增益和帶寬都是無(wú)限大的。最常見(jiàn)的真實(shí)運(yùn)放采用電壓反饋，這種運(yùn)放的增益和頻率在被稱為“增益帶寬積（GBW）”的特性中是有關(guān)系的。電壓反饋運(yùn)放中的這種關(guān)系允許電路設(shè)計(jì)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(duì)數(shù)響應(yīng)曲線（波特圖）給出 了電壓反饋運(yùn)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。這稱為單極或者一階響應(yīng)。6dB/8倍程的衰減速率意味著如果頻率升高一倍，增益就會(huì)減半。電壓反饋運(yùn)放的這種特性使電路設(shè)計(jì)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(yùn)放的開(kāi)環(huán)增益和噪聲增益曲線，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(yīng)和真實(shí)響應(yīng)在fCL上下各一個(gè)倍程上之差將為1dB。

圖4：（a）運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓；（b）運(yùn)放的輸入偏置電流。

電流反饋（CFB）運(yùn)放

在電流反饋運(yùn)放中，開(kāi)環(huán)響應(yīng)是輸出電壓對(duì)輸入電流的響應(yīng)。因此，與電壓反饋運(yùn)放不同，電流反饋運(yùn)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(yùn)放也被稱為跨阻放大器。電流反饋運(yùn)放的跨阻在500k?～1M?之間。

與電壓反饋運(yùn)放不同，電流反饋運(yùn)放沒(méi)有恒定的增益帶寬積。也就是說(shuō)，當(dāng)增益隨著頻率增加而滾降時(shí)，滾降速度不等于6dB/8倍程。電流反饋運(yùn)放可以在較寬的增益范圍內(nèi)保持高帶寬，但這是以反饋?zhàn)杩沟倪x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(yùn)放的反饋環(huán)路中不允許有電容，因?yàn)殡娙輹?huì)使高頻下的反饋?zhàn)杩菇档?，從而?dǎo)致振蕩。由于同樣原因，雜散電容也必須控制在運(yùn)放的反相輸入端周?chē)?。另外，電流反饋運(yùn)放頻率響應(yīng)曲線的斜率特性要比電壓反饋運(yùn)放的好，雖然雜散電容會(huì)削弱電流反饋運(yùn)放的這個(gè)優(yōu)勢(shì)。

電流反饋運(yùn)放和電壓反饋運(yùn)放的不同特性還體現(xiàn)在其它方面。例如，電流反饋運(yùn)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(dǎo)致帶寬降低，而降低電阻則將減小相位余量，并導(dǎo)致放大器不穩(wěn)定。電流反饋運(yùn)放的數(shù)據(jù)表提供在一個(gè)增益范圍內(nèi)所對(duì)應(yīng)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(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程很有幫助。最佳反饋電阻值對(duì)許多因素都比較敏感，甚至對(duì)運(yùn)放的封裝類(lèi)型也敏感。數(shù)據(jù)表可能根據(jù)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(yùn)放的重要特性

如果運(yùn)放兩個(gè)輸入端上的電壓均為0V，則輸出端電壓也應(yīng)該等于0V。但事實(shí)上，輸出端總有一些電壓，該電壓稱為失調(diào)電壓VOS。如果將輸出端的失調(diào)電壓除以電路的噪聲增益，得到結(jié)果稱為輸入失調(diào)電壓或輸入?yún)⒖际д{(diào)電壓。這個(gè)特性在數(shù)據(jù)表中通常以VOS給出。VOS被等效成一個(gè)與運(yùn)放反相輸入端串聯(lián)的電壓源。必須對(duì)放大器的兩個(gè)輸入端施加差分電壓，以產(chǎn)生0V輸出。

VOS隨著溫度的變化而改變，這種現(xiàn)象稱為漂移，漂移的大小隨時(shí)間而變化。漂移的溫度系數(shù)TCVOS通常會(huì)在數(shù)據(jù)表中給出，但一些運(yùn)放數(shù)據(jù)表僅提供可保證器件在工作溫度范圍內(nèi)安全工作的第二大或者最大的VOS。這種規(guī)范的可信度稍差，因?yàn)門(mén)CVOS可能是不恒定的，或者是非單調(diào)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)非線性函數(shù)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(zhuǎn)化為大約3mV/年，而不是9mV/年。老化速度并不總是在數(shù)據(jù)表中給出，即便是高精度運(yùn)放。

理想運(yùn)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(jí)中使用雙極結(jié)晶體管（BJT）的真實(shí)運(yùn)放需要一些工作電流，該電流稱為偏置電流（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(yùn)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(yùn)放的偏置電流可高達(dá)幾十mA。

單片運(yùn)放的制造工藝趨于使電壓反饋運(yùn)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(yùn)放中，輸入端的不對(duì)稱特性意味著兩個(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(diào)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?yàn)楦叽沃C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(nèi)的總信號(hào)功率。大多數(shù)的數(shù)據(jù)表都給出THD+N的值，因?yàn)榇蠖鄶?shù)測(cè)量系統(tǒng)不區(qū)分與諧波相關(guān)的信號(hào)和噪聲。THD和THD + N都被用來(lái)度量單音調(diào)（single-tone）正弦波輸入信號(hào)產(chǎn)生的失真。

個(gè)更有用且更嚴(yán)格的失真度衡量指標(biāo)是互調(diào)失真（IMD），它可度量由雙音調(diào)（two-tone）交互干擾的結(jié)果而不僅僅是一個(gè)載波所產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)范圍。根據(jù)不同應(yīng)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(shù)據(jù)表通常給出器件的三階截取點(diǎn)（IP3），這是三階IMD效應(yīng)的一種最基本度量方式。因?yàn)槿A串?dāng)_產(chǎn)物引起的信號(hào)損壞在許多應(yīng)用中（特別是在無(wú)線電接收機(jī)中）都非常普遍，而且很?chē)?yán)重，所以這個(gè)參數(shù)十分重要。

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

信噪比（SNR）定義了從最大信號(hào)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(yīng)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(hào)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(duì)線性的特性（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(yùn)放的類(lèi)型

運(yùn)放的供電

第一款單片運(yùn)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(yùn)放的電源正在向低電壓方向發(fā)展。

盡管運(yùn)放的電壓規(guī)格通常被指定為對(duì)稱的兩極電壓（如±15 V），但是這些電壓卻不一定要求是對(duì)稱電壓或兩極電壓。對(duì)運(yùn)放而言，只要輸入端被偏置在有源區(qū)域內(nèi)（即在共模電壓范圍內(nèi)），那么±15V的電源就相當(dāng)于+30V/0V電源，或者+20V/–10V電源。運(yùn)放沒(méi)有接地引腳，除非在單電源供電應(yīng)用中把負(fù)電壓軌接地。運(yùn)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(yùn)放的擊穿電壓一般為±7V左右，因此高速運(yùn)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(duì)通用運(yùn)放來(lái)說(shuō)，電源電壓可以低至+1.8V。這類(lèi)運(yùn)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(dú)立的概念。

運(yùn)放的工藝技術(shù)

運(yùn)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(shù)字電路的應(yīng)用中，采用CMOS工藝的運(yùn)放工作得很好。JFET有時(shí)在輸入級(jí)采用，以增加輸入阻抗，從而降低輸入偏置電流。FET輸入運(yùn)放（無(wú)論是N溝道還是P溝通）允許芯片設(shè)計(jì)工程師設(shè)計(jì)出輸入信號(hào)電平可擴(kuò)展至負(fù)電壓軌和正電壓軌的運(yùn)放。

由于BJT是電流控制型器件，所以輸入級(jí)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(yùn)放外部的阻抗，產(chǎn)生失調(diào)電壓，從而導(dǎo)致系統(tǒng)錯(cuò)誤。制造商通過(guò)在輸入級(jí)采用super-beta晶體管或通過(guò)構(gòu)建一個(gè)補(bǔ)償偏置輸入架構(gòu)，來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。super-beta晶體管具有極窄的基極區(qū)，該基極區(qū)所產(chǎn)生的電流增益要比標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)性能降低為代價(jià)的。在偏置補(bǔ)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(yùn)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(diào)也小得多。另一方面，與BJT相比，CMOS運(yùn)放具有更高的固有失調(diào)電壓和更高的噪聲電壓，特別是在頻率較低的情況下。

按應(yīng)用對(duì)運(yùn)放進(jìn)行分類(lèi)

芯片制造商利用不同的電路設(shè)計(jì)和工藝技術(shù)來(lái)強(qiáng)調(diào)針對(duì)特定應(yīng)用的某些運(yùn)放特性。上表列出了這些運(yùn)放類(lèi)型的常用術(shù)語(yǔ)，以及它們的特性和應(yīng)用范圍。