电子设计应用-运算放大器.doc

电子设计应用-运算放大器
问：为什么有这样多不同类型的运算放大器?
答：因为在不同的应用中有这样多的重要参数，还因为不可能使这些参数 同 时都达到最佳。所以运算放大器可以根据速度、噪声(电压噪声、电流噪声或两者)、输入失 调电 压和漂移、偏置电流和漂移及共模电压范围进行选择。与电源有关的其它选择因素还包括： 输出功率、功耗、工作电压、环境温度范围和封装形式。不同的电路结构和制造工艺可对不 同的性能参数进行优化。
问：运算放大器在结构上有共同点吗?
答：有。大多数类型(电压输入)运算放大器都有三级结构，第一级是带有差分输 入和差分输出的输入级，具有高共模抑制；第二级是带有差分输入和单端输出的增益级，电 压增益很高，一般具有单极点频率响应；第三级是输出级，通常具有单位电压增益，结构框 图如图4-1所示。

图41 电压输入运算放大器结构框图 
问：运算放大器在结构上有哪些不同点?
答：运算放大器在基本结构上有许多不同点。最主要的一点是输入级的结构 。输入级几乎都是长尾对结构(一对放大器接成图42所示的形式)，但器件的选择对运算放 大器输入参数的影响至关重要。为了避免对某种半导体器件的倾向性，这里给出的是热阴极 电子管图，因为目前的热电子器件一般都不采用集成电路芯片构成输入级，而只有单片运算 放大器才具有由双极型场效应管(FET)构成的输入级。
由双极型晶体管构成的长尾对式差分放大器如图43所示。它的主要特点是噪声很低并且适 当调整后失调电压也很低。另外，如果输入级的失调电压调整到最小，那么一定会有最小的 失调漂移。它的主要缺点是受晶体管的发射极电流和基极电流比例的限制。另外，如果发射 极电流 对输入级足够大以便有合适的带宽，那么基极电流(从而也使偏置电流)也要相当 

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图42 由热阴极电子管构成的“长尾对”差分 放大器 

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图43 简单的双极型晶体管构成的差分放大 器
大(通用运算放大器为50～1 000 nA，高速运算放大器高达10 μA)。 

反相输入端和同相输入端的偏置电流都是单极性的并且匹配得很好(两者之差称作失 调电流)，其中偏置电流较小的一路随温度增加而减小。在许多应用中，使用精密匹配电阻 进行补偿来提高偏置电流。图44示出一个偏置电流补偿电路，其中同相输入端偏置电流经 过电阻RC(称作偏置补偿电阻)。RC用来补偿反相输入端偏置电流通过电阻R2时产生的 压降。RC的标称值应该等于电阻R1与R2的并联值，调整RC将非零失调电流引起的误 差调至最小。 这种偏置补偿仅当偏置电流匹配得很好的情况下才是有用的。如果匹配得不好，偏置补 偿电阻居然会引起误差。 
如果规定的双极型输入级没有这么大的偏置电流，那么运算放大器的设计者可以采用不 同 形式的偏置补偿(见图45)。虽然采用相同的长尾对，但每个基极所需要的主要电流都是由 芯片内一个电流源提供

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图44 偏置补偿电阻可使偏置电流误差减至最小 

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图45 偏置补偿双极型输入级 

的。这样可使外部偏置电流减小到10 nA以下，不影响失调、温漂、 带宽或电压噪声，而且偏置电流随温度变化很小。 
这种结构的输入级有两个缺点：一是电流噪声增加；二是外部偏置电流匹配得不好 (实际上，当芯片温度变化时，偏置电流可沿相反方向流动或改变极性)。对于许多应用来说 ，这两个缺点根本不算毛病。实际上，一种最常见的低失调运算放大器OP07就属于这种 结 构，同样OP27，OP37和AD707，它们的失调电压都仅为15 μV。当运算放大器产品说明 中明 确给出双极性偏置电流(例如±40nA)时，常常认为这种类型的放大器是偏置补偿放大 器。
在甚至几个纳安(nA)的偏置电流都不允许的情况下，通常用场效应管取代双极型晶体管 。在过去，MOSFET对运算放大器的输入级还存在一定的噪声，尽管现代半导体工艺正在克 服这个缺点。另外还因为MOSFET失调电压也相当高，所以为了制造高性能低偏置电流的运算 放大器，使用结型场效应管(JFET)作为输入级。典型JFET运算放大器输入级原理图如图46 所示。 JFET 的偏置电流与流过器件的电流无关，所以甚至宽频带JFET放大器可能有很低的偏置 电流(几十皮安是常见的)，而且AD549在室温条件下保证偏置电流低于60 fA(每3 μs 一个电子)。 “在室温”这个条件是很重要的，此时JFET的偏置电流等于其栅极二极管的反向漏电流 ，而且硅二极 

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图46 JFET 运算放大器输入级原理图 
管的反向漏电流随温度每增加10°C大约增加一倍。JFET运算放大器的偏置电 流随温度变化并不稳定。实际上在25～125°C温度范围内，JFET运算放大器的偏置电流能增 加到1 000倍以上(这对于MOSFET运算放大器同样适用，因为多数MOSFET放大器的偏置电流 等于其栅极保护二极管的漏电流)。
JFET放大器的失调电压虽然在制造期间进行了调整，但是最小的失调不一定对应最小的 温 度漂移。因此，JFET运算放大器的电压失调和漂移应该分别调整，这样调整的结果要比最佳 双极型放大器的电压失调和漂移数值稍大一点(最佳JFET运算放大器的电压失调和漂移典型 值分别为250 μV和5 μV/°C)。但是ADI公司最近研究出一种新的专利调整方法，预期新一 代的JFET运算放大器将会得到极好的结果。
因此我们可以看出，运算放大器的失调电压、失调电压漂移、偏置电流、偏置电流漂移 和噪声之间存在着相互权衡的关系，而且选择不同的输入结构具有不同的输入特点。表41 比较了三种常见运算放大器输入结构的特点。
我们还应注意到以AD705为代表的另一类运算放大器，它采用超β双极型FET(BiFET) 工艺，它既具有低失调电压和低失调电压漂移，又具有低偏置电流和低偏置电流漂移。
问：用户还应该了解运算放大器哪些其它特性?
答：JFET运算放大器常遇到的一个问题是倒相问题。如果JFET运算放大器的输入 共模电压太靠近负电源，那么反相输入端与同相输入端的作用颠倒，即负反馈变成正反馈， 并且电路可能闩锁。这种闩锁不一定具有破坏性，但是要恢复正常必须关断电源。图47示 出了电路未出现闩锁情况下的这种倒相作用。使用双极型放大器或用某种方法限制信号 的共模范围可避免这种倒相问题。

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表41 运算放大器输入级特性比较
简 单双极型偏置补偿双 极 型 FET输入级 
失调电压失调电压漂移偏置电流偏置匹配偏置电流漂移噪声 低低高优良低低低低中差(电流可反向)低低 中 等中等 低-很低中等每增加10°C偏流加倍中等

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图47 当输入接近负电源电压时出现的倒相 
如果输入信号比相应的运算放大器的电源电压更正或更负，那么在双极型和JFET运算放 大器中都会出现较严重的闩锁。如果输入端比+VS+07V更正或者比-VS-07V更负，那 么电流可能流过通常被偏置截止的二极管。这样同样可以导通由这个运算放大器的某 些扩散作用形成的晶闸管(SCR)，使电源短路从而使器件损坏。
为了避免这种破坏性闩锁现象，重要的是防止运算放大器的两个输入端电压超过 电源电 压。在器件导通期间可能产生严重的后果：如果在接通电源电压之前对运算放大器加输入信 号，那么当接通电源时可能立即损坏运算放大器。不论什么时候出现危险，不论是超过电源 电压，也不论是运算放大器接通电源之前加输入信号，处于危险状态的两个输入端为防止出 现闩锁，都应该用二极管箝位(最好使用快速、低正向电压的肖特基二极管)。为防止二极管 电流过大还需要接限流电阻(见图48)。

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图48 防止闩锁保护电路 
这个保护电路本身也会带来问题。上述二极管的漏电流可能会影响该电流的误差估算。 如果使用玻璃封装的二极管，并且将其暴露在荧光环境下，那么由于光电效应，其漏电流 会以100 Hz或120 Hz频率被调制，从而会产生交流声及直流漏电流。限流电阻的热噪声可能 更 加损坏电路的噪声特性，而且流过限流电阻的偏置电流可能使失调电压明显增加。所有这些 影响，在设计这种保护电路时都应该考虑。