運算放大器工作原理及誤差分析

1． 模擬運放的分類及特點

模擬運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)者選用時不知如何是好。為了便于初學(xué)者選用，本文對集成模擬運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算放大器可以分為標(biāo)準(zhǔn)硅工藝運算放大器、在標(biāo)準(zhǔn)硅工藝中加入了結(jié)型場效應(yīng)管工藝的運算放大器、在標(biāo)準(zhǔn)硅工藝中加入了MOS工藝的運算放大器。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算放大器性能的影響，快速掌握運放的特點。
標(biāo)準(zhǔn)硅工藝的集成模擬運算放大器的特點是開環(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，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)計出通用運放和高速運放。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)管工藝的運算放大器主要是將標(biāo)準(zhǔn)硅工藝的集成模擬運算放大器的輸入級改進(jìn)為結(jié)型場效應(yīng)管，大大提高運放的開環(huán)輸入阻抗，順帶提高通用運放的轉(zhuǎn)換速度，其它與標(biāo)準(zhǔn)硅工藝的集成模擬運算放大器類似。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)管大大提高運放的開環(huán)輸入阻抗，順帶提高通用運放的轉(zhuǎn)換速度，其它與標(biāo)準(zhǔn)硅工藝的集成模擬運算放大器類似。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》集成運算放大器。
按照功能/性能分類，模擬運算放大器一般可分為通用運放、低功耗運放、精密運放、高輸入阻抗運放、高速運放、寬帶運放、高壓運放，另外還有一些特殊運放，例如程控運放、電流運放、電壓跟隨器等等。實際上由于為了滿足應(yīng)用需要，運放種類極多。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最初是歸入精密運放類，現(xiàn)在只能歸入通用運放了。另外，有些運放同時具有低功耗和高輸入阻抗，或者與此類似，這樣就可能同時歸入多個類中。

通用運放實際就是具有最基本功能的最廉價的運放。這類運放用途廣泛，使用量最大。

低功耗運放是在通用運放的基礎(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，低功耗運放已經(jīng)不是個別現(xiàn)象。低功耗運放的靜態(tài)功耗一般低于1mW。
精密運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放，也稱作低漂移運放或低噪聲運放。這類運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，早期的部分運放的失調(diào)電壓比較高，可能達(dá)到1mV；現(xiàn)在精密運放的失調(diào)電壓可以達(dá)到0.1mV；采用斬波穩(wěn)零技術(shù)的精密運放的失調(diào)電壓可以達(dá)到0.005mV。精密運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放，這包括了全MOS管做的集成運放。高輸入阻抗運放的輸入阻抗一般大于109歐姆。作為高輸入阻抗運放的一個附帶特性就是轉(zhuǎn)換速度比較高。高輸入阻抗運放用途十分廣泛，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。

高速運放是指轉(zhuǎn)換速度較高的運放。一般轉(zhuǎn)換速度在100V/us以上。高速運放用于高速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。

寬帶運放是指-3dB帶寬（BW）比通用運放寬得多的集成運放。很多高速運放都具有較寬的帶寬，也可以稱作高速寬帶運放。這個分類是相對的，同一個運放在不同使用條件下的分類可能有所不同。寬帶運放主要用于處理輸入信號的帶寬較寬的電路。
高壓運放是為了解決高輸出電壓或高輸出功率的要求而設(shè)計的。在設(shè)計中，主要解決電路的耐壓、動態(tài)范圍和功耗的問題。高壓運放的電源電壓可以高于±20VDC，輸出電壓可以高于±20VDC。當(dāng)然，高壓運放可以用通用運放在輸出后面外擴(kuò)晶體管/MOS管來代替。

2． 運放的主要參數(shù)
本節(jié)以《中國集成電路大全》集成運算放大器為主要參考資料，同時參考了其它相關(guān)資料。
集成運放的參數(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)電壓定義為集成運放輸出端電壓為零時，兩個輸入端之間所加的補(bǔ)償電壓。輸入失調(diào)電壓實際上反映了運放內(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)電壓是運放的一個十分重要的指標(biāo)，特別是精密運放或是用于直流放大時。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，直流放大時中間零點偏移越小，越容易處理。所以對于精密運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)實際是輸入失調(diào)電壓的補(bǔ)充，便于計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。一般運放的輸入失調(diào)電壓溫漂在±10~20μV/℃之間，精密運放的輸入失調(diào)電壓溫漂小于±1μV/℃。

輸入偏置電流IIB：輸入偏置電流定義為當(dāng)運放的輸出直流電壓為零時，其兩輸入端的偏置電流平均值。輸入偏置電流對進(jìn)行高阻信號放大、積分電路等對輸入阻抗有要求的地方有較大的影響。輸入偏置電流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）的輸入偏置電流在±10nA~1μA之間；采用場效應(yīng)管做輸入級的，輸入偏置電流一般低于1nA。

輸入失調(diào)電流IIO：輸入失調(diào)電流定義為當(dāng)運放的輸出直流電壓為零時，其兩輸入端偏置電流的差值。輸入失調(diào)電流同樣反映了運放內(nèi)部的電路對稱性，對稱性越好，輸入失調(diào)電流越小。輸入失調(diào)電流是運放的一個十分重要的指標(biāo)，特別是精密運放或是用于直流放大時。輸入失調(diào)電流大約是輸入偏置電流的百分之一到十分之一。輸入失調(diào)電流對于小信號精密放大或是直流放大有重要影響，特別是運放外部采用較大的電阻（例如10k或更大時），輸入失調(diào)電流對精度的影響可能超過輸入失調(diào)電壓對精度的影響。輸入失調(diào)電流越小，直流放大時中間零點偏移越小，越容易處理。所以對于精密運放是一個極為重要的指標(biāo)。

輸入失調(diào)電流的溫度漂移（簡稱輸入失調(diào)電流溫漂）：輸入偏置電流的溫度漂移定義為在給定的溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電流的變化與溫度變化的比值。這個參數(shù)實際是輸入失調(diào)電流的補(bǔ)充，便于計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。輸入失調(diào)電流溫漂一般只是在精密運放參數(shù)中給出，而且是在用以直流信號處理或是小信號處理時才需要關(guān)注。

差模開環(huán)直流電壓增益：差模開環(huán)直流電壓增益定義為當(dāng)運放工作于線性區(qū)時，運放輸出電壓與差模電壓輸入電壓的比值。由于差模開環(huán)直流電壓增益很大，大多數(shù)運放的差模開環(huán)直流電壓增益一般在數(shù)萬倍或更多，用數(shù)值直接表示不方便比較，所以一般采用分貝方式記錄和比較。一般運放的差模開環(huán)直流電壓增益在 80~120dB之間。實際運放的差模開環(huán)電壓增益是頻率的函數(shù)，為了便于比較，一般采用差模開環(huán)直流電壓增益。
共模抑制比：共模抑制比定義為當(dāng)運放工作于線性區(qū)時，運放差模增益與共模增益的比值。共模抑制比是一個極為重要的指標(biāo)，它能夠抑制差模輸入==模干擾信號。由于共模抑制比很大，大多數(shù)運放的共模抑制比一般在數(shù)萬倍或更多，用數(shù)值直接表示不方便比較，所以一般采用分貝方式記錄和比較。一般運放的共模抑制比在80~120dB之間。

電源電壓抑制比：電源電壓抑制比定義為當(dāng)運放工作于線性區(qū)時，運放輸入失調(diào)電壓隨電源電壓的變化比值。電源電壓抑制比反映了電源變化對運放輸出的影響。目前電源電壓抑制比只能做到80dB左右。所以用作直流信號處理或是小信號處理模擬放大時，運放的電源需要作認(rèn)真細(xì)致的處理。當(dāng)然，共模抑制比高的運放，能夠補(bǔ)償一部分電源電壓抑制比，另外在使用雙電源供電時，正負(fù)電源的電源電壓抑制比可能不相同。

輸出峰-峰值電壓：輸出峰-峰值電壓定義為，當(dāng)運放工作于線性區(qū)時，在指定的負(fù)載下，運放在當(dāng)前大電源電壓供電時，運放能夠輸出的最大電壓幅度。除低壓運放外，一般運放的輸出輸出峰-峰值電壓大于±10V。一般運放的輸出峰-峰值電壓不能達(dá)到電源電壓，這是由于輸出級設(shè)計造成的，現(xiàn)代部分低壓運放的輸出級做了特殊處理，使得在10k負(fù)載時，輸出峰-峰值電壓接近到電源電壓的50mV以內(nèi)，所以稱為滿幅輸出運放，又稱為軌到軌（raid-to-raid）運放。需要注意的是，運放的輸出峰-峰值電壓與負(fù)載有關(guān)，負(fù)載不同，輸出峰-峰值電壓也不同；運放的正負(fù)輸出電壓擺幅不一定相同。對于實際應(yīng)用，輸出峰- 峰值電壓越接近電源電壓越好，這樣可以簡化電源設(shè)計。但是現(xiàn)在的滿幅輸出運放只能工作在低壓，而且成本較高。

最大共模輸入電壓：最大共模輸入電壓定義為，當(dāng)運放工作于線性區(qū)時，在運放的共模抑制比特性顯著變壞時的共模輸入電壓。一般定義為當(dāng)共模抑制比下降6dB 是所對應(yīng)的共模輸入電壓作為最大共模輸入電壓。最大共模輸入電壓限制了輸入信號中的最大共模輸入電壓范圍，在有干擾的情況下，需要在電路設(shè)計中注意這個問題。

最大差模輸入電壓：最大差模輸入電壓定義為，運放兩輸入端允許加的最大輸入電壓差。當(dāng)運放兩輸入端允許加的輸入電壓差超過最大差模輸入電壓時，可能造成運放輸入級損壞。

2．2 主要交流指標(biāo)
開環(huán)帶寬：開環(huán)帶寬定義為，將一個恒幅正弦小信號輸入到運放的輸入端，從運放的輸出端測得開環(huán)電壓增益從運放的直流增益下降3db（或是相當(dāng)于運放的直流增益的0.707）所對應(yīng)的信號頻率。這用于很小信號處理。

單位增益帶寬GB：單位增益帶寬定義為，運放的閉環(huán)增益為1倍條件下，將一個恒幅正弦小信號輸入到運放的輸入端，從運放的輸出端測得閉環(huán)電壓增益下降 3db（或是相當(dāng)于運放輸入信號的0.707）所對應(yīng)的信號頻率。單位增益帶寬是一個很重要的指標(biāo)，對于正弦小信號放大時，單位增益帶寬等于輸入信號頻率與該頻率下的最大增益的乘積，換句話說，就是當(dāng)知道要處理的信號頻率和信號需要的增以后，可以計算出單位增益帶寬，用以選擇合適的運放。這用于小信號處理中運放選型。

轉(zhuǎn)換速率（也稱為壓擺率）SR：運放轉(zhuǎn)換速率定義為，運放接成閉環(huán)條件下，將一個大信號（含階躍信號）輸入到運放的輸入端，從運放的輸出端測得運放的輸出上升速率。由于在轉(zhuǎn)換期間，運放的輸入級處于開關(guān)狀態(tài)，所以運放的反饋回路不起作用，也就是轉(zhuǎn)換速率與閉環(huán)增益無關(guān)。轉(zhuǎn)換速率對于大信號處理是一個很重要的指標(biāo)，對于一般運放轉(zhuǎn)換速率SR=10V/μs，高速運放的轉(zhuǎn)換速率SR>10V/μs。目前的高速運放最高轉(zhuǎn)換速率SR達(dá)到 6000V/μs。這用于大信號處理中運放選型。