运算放大器设计基础

　　运算放大器（简称“运放”）的作用是调节和放大模拟信号。常见的应用包括数字示波器和自动测试装置、视频和图像计算机板卡、医疗仪器、电视广播设备、航行器用显示器和航空运输控制系统、汽车传感器、计算机工作站和无线基站。

　　理想的运放

　　理想的运放如图1所示。通过电阻元件（或者更普遍地通过阻抗元件）施加的负反馈可以产生两种经典的闭环运放配置中的任何一种：反相放大器（图2）和非反相放大器（图3）。这些配置中的闭环增益的经典等式显示，放大器的增益基本上只取决于反馈元件。另外，负反馈还可以提供稳定、无失真的输出电压。

　　电压反馈（VFB）运放

　　电压反馈运放与前文介绍的理想运放一样，它们的输出电压是两个输入端之间电压差的函数。为设计用途，电压反馈运放的数据表定义5种不同的增益：开环增益（AVOL）、闭环增益、信号增益、噪声增益和环路增益。

　　负反馈可以改变AVOL的大小。对高精度放大器来说，无反馈运放的AVOL值非常大，约为160dB或更高（电压增益为10，000或更高）。

　　图1：理想的运放。

　　AVOL的范围很大，在数据表中它通常以最小/最大值给出。AVOL还随着电压电平、负载和温度的变化而变化，但这些影响都很小，通常可以忽略不计。

　　当运放的反馈环路闭合时，它可以提供小于AVOL的闭环增益。闭环增益有信号增益和噪声增益两种形式。

　　信号增益（A）指输入信号通过放大器产生的增益，它是电路设计中头等重要的增益。下面给出了电压反馈电路中信号增益的两个最常见的表达式，它们被广泛用在于反相和同相运放配置中。

　　图2：反相放大器（a）和非反相放大器（b）是两种经典的闭环运放配置。

　　对于反相放大器，A = -Rfb/Rin

　　对于同相放大器，A = 1 + Rfb/Rin

　　其中，Rfb是反馈电阻，Rin是输入电阻。

　　噪声增益指运放中的噪声源增益，它反映了放大器的输入失调电压和电压噪声对输出的影响。噪声增益的等式与上述同相放大器的信号增益等式相同。噪声增益非常重要，因为它被用来确定电路稳定性。另外，噪声增益还是在波特图中使用的闭环增益，波特图可以向电路设计工程师提供放大器的最大带宽和稳定性信息。环路增益等于开环增益与闭环增益之差，或者等于输入信号通过放大器并由反馈网络返回至输入端的总增益。

　　图3：（a）波特图上的开环增益和噪声增益曲线；（b）电流反馈运放的频率响应。

　　电压反馈运放的增益带宽积

　　理想运放的增益和带宽都是无限大的。最常见的真实运放采用电压反馈，这种运放的增益和频率在被称为“增益带宽积（GBW）”的特性中是有关系的。电压反馈运放中的这种关系允许电路设计工程师通过控制反馈电阻（或者阻抗），在带宽和增益之间进行折衷。

　　对数响应曲线（波特图）给出 了电压反馈运放的增益随频率的变化关系，并有助于解释GBW。从直流到由反馈环路的主极点决定的频率之间，增益是恒定不变的。在该频率之上，增益以6dB/8倍程或20dB/10倍程的速率衰减。这称为单极或者一阶响应。6dB/8倍程的衰减速率意味着如果频率升高一倍，增益就会减半。电压反馈运放的这种特性使电路设计工程师可在带宽和增益之间进行折衷。

　　在一个波特图中画出运放的开环增益和噪声增益曲线，两者的交叉点决定了最大带宽或放大器的闭环频率（fCL）（图4）。这两条曲线的交叉点在波特图增益轴（纵轴）上处于比最大增益小3dB的位置上。事实上，噪声增益渐近地逼近开环增益。渐近响应和真实响应在fCL上下各一个倍程上之差将为1dB。

　　图4：（a）运放的输入失调电压；（b）运放的输入偏置电流。

　　电流反馈（CFB）运放

　　在电流反馈运放中，开环响应是输出电压对输入电流的响应。因此，与电压反馈运放不同，电流反馈运放输入和输出之间的关系不是用增益表示，而是跨阻来表示，单位为欧姆。但更常见的是采用跨阻表示，因此电流反馈运放也被称为跨阻放大器。电流反馈运放的跨阻在500kΩ～1MΩ之间。

　　与电压反馈运放不同，电流反馈运放没有恒定的增益带宽积。也就是说，当增益随着频率增加而滚降时，滚降速度不等于6dB/8倍程。电流反馈运放可以在较宽的增益范围内保持高带宽，但这是以反馈阻抗的选择有限制为代价的。例如，其中一个限制就是电流反馈运放的反馈环路中不允许有电容，因为电容会使高频下的反馈阻抗降低，从而导致振荡。由于同样原因，杂散电容也必须控制在运放的反相输入端周围。另外，电流反馈运放频率响应曲线的斜率特性要比电压反馈运放的好，虽然杂散电容会削弱电流反馈运放的这个优势。

　　电流反馈运放和电压反馈运放的不同特性还体现在其它方面。例如，电流反馈运放具有获得最大带宽的最佳反馈电阻值。增大反馈电阻会导致带宽降低，而降低电阻则将减小相位余量，并导致放大器不稳定。电流反馈运放的数据表提供在一个增益范围内所对应的最佳反馈电阻值，以及电源电压值以便使放大器具有最大带宽，这对设计过程很有帮助。最佳反馈电阻值对许多因素都比较敏感，甚至对运放的封装类型也敏感。数据表可能根据封装是小外形IC （SOIC）封装还是双列封装（DIP），给出不同的电阻值。

　　运放的重要特性

　　如果运放两个输入端上的电压均为0V，则输出端电压也应该等于0V。但事实上，输出端总有一些电压，该电压称为失调电压VOS。如果将输出端的失调电压除以电路的噪声增益，得到结果称为输入失调电压或输入参考失调电压。这个特性在数据表中通常以VOS给出。VOS被等效成一个与运放反相输入端串联的电压源。必须对放大器的两个输入端施加差分电压，以产生0V输出。

　　VOS随着温度的变化而改变，这种现象称为漂移，漂移的大小随时间而变化。漂移的温度系数TCVOS通常会在数据表中给出，但一些运放数据表仅提供可保证器件在工作温度范围内安全工作的第二大或者最大的VOS。这种规范的可信度稍差，因为TCVOS可能是不恒定的，或者是非单调变化的。

　　VOS漂移或者老化通常以mV/月或者mV/1，000小时来定义。但这个非线性函数与器件已使用时间的平方根成正比。例如，老化速度1mV/1，000小时可转化为大约3mV/年，而不是9mV/年。老化速度并不总是在数据表中给出，即便是高精度运放。

　　理想运放的输入阻抗无穷大，因此不会有电流流入输入端。但是，在输入级中使用双极结晶体管（BJT）的真实运放需要一些工作电流，该电流称为偏置电流（IB）。通常有两个偏置电流：IB+和IB-，它们分别流入两个输入端。IB值的范围很大，特殊类型运放的偏置电流低至60fA（大约每3µs通过一个电子），而一些高速运放的偏置电流可高达几十mA。

　　单片运放的制造工艺趋于使电压反馈运放的两个偏置电流相等，但不能保证两个偏置电流相等。在电流反馈运放中，输入端的不对称特性意味着两个偏置电流几乎总是不相等的。这两个偏置电流之差为输入失调电流IOS，通常情况下IOS很小。

　　总谐波失真（THD）是指由于放大器的非线性而产生的基频的谐波分量。通常情况下只需要考虑二次和三次谐波，因为更高次谐波的振幅将大大缩小。

　　THD+N（THD+噪声）是器件产生噪声的原因，它是指不包括基频在内的总信号功率。大多数的数据表都给出THD+N的值，因为大多数测量系统不区分与谐波相关的信号和噪声。THD和THD + N都被用来度量单音调（single-tone）正弦波输入信号产生的失真。

　　一个更有用且更严格的失真度衡量指标是互调失真（IMD），它可度量由双音调（two-tone）交互干扰的结果而不仅仅是一个载波所产生的动态范围。根据不同应用，一些二阶IMD分量可能可以滤除，但三阶分量的滤除则要更困难些。因此，数据表通常给出器件的三阶截取点（IP3），这是三阶IMD效应的一种最基本度量方式。因为三阶串扰产物引起的信号损坏在许多应用中（特别是在无线电接收机中）都非常普遍，而且很严重，所以这个参数十分重要。

　　1dB压缩点代表输出信号与理想输入/输出传输函数相比增益下降1dB时的输入信号电平。这是运放动态范围的结束点。

　　信噪比（SNR）定义了从最大信号电平至背景噪声的RMS电平的动态范围（以dB为单位）。

　　其它特性在射频（RF）应用中变得非常重要。例如，动态范围是器件能承受的最大输入电平与器件能提供可接受的信号质量的最小输入电平之间的比，如果器件的输入电平处于这两点之间，则器件可提供相对线性的特性（在放大器的限制条件下），若输入电平不在这两点之间，器件就会产生失真。

　　运放的类型

　　运放的供电

　　第一款单片运放正常工作所需的电源电压范围为±15V。如今，由于电路速度的提高和采用低功率电源（如电池）供电，运放的电源正在向低电压方向发展。

　　尽管运放的电压规格通常被指定为对称的两极电压（如±15 V），但是这些电压却不一定要求是对称电压或两极电压。对运放而言，只要输入端被偏置在有源区域内（即在共模电压范围内），那么±15V的电源就相当于+30V/0V电源，或者+20V/–10V电源。运放没有接地引脚，除非在单电源供电应用中把负电压轨接地。运放电路的任何器件都不需要接地。

　　高速电路的输入电压摆幅小于低速器件。器件的速度越高，其几何形状就越小，这意味着击穿电压就越低。由于击穿电压较低，器件就必须工作在较低电源电压下。

　　如今，运放的击穿电压一般为±7V左右，因此高速运放的电源电压一般为±5V，它们也能工作在+5V的单电源电压下。

　　对通用运放来说，电源电压可以低至+1.8V。这类运放由单电源供电，但这不一定意味必须采用低电源电压。单电源电压和低电压这两个术语是两个相关而独立的概念。

　　运放的工艺技术

　　运放主要采用双极性工艺技术，但在要求在同一芯片中集成模拟和数字电路的应用中，采用CMOS工艺的运放工作得很好。JFET有时在输入级采用，以增加输入阻抗，从而降低输入偏置电流。FET输入运放（无论是N沟道还是P沟通）允许芯片设计工程师设计出输入信号电平可扩展至负电压轨和正电压轨的运放。

　　由于BJT是电流控制型器件，所以输入级中的双极晶体管总是汲取一些偏置电流（IB）（图7）。但是，IB会流经运放外部的阻抗，产生失调电压，从而导致系统错误。制造商通过在输入级采用super-beta晶体管或通过构建一个补偿偏置输入架构，来解决这个问题。super-beta晶体管具有极窄的基极区，该基极区所产生的电流增益要比标准BJT中的电流增益大得多。这使得IB非常低，但这是以频率响应性能降低为代价的。在偏置补偿输入中，小电流源被加在输入晶体管的基极，这样，电流源可提供输入器件所需的偏置电流，从而大幅减小外部电路的净电流。

　　与BJT相比，CMOS运放的输入阻抗要高得多，从而使该电流源输出的偏置电流和失调也小得多。另一方面，与BJT相比，CMOS运放具有更高的固有失调电压和更高的噪声电压，特别是在频率较低的情况下。

　　按应用对运放进行分类

　　芯片制造商利用不同的电路设计和工艺技术来强调针对特定应用的某些运放特性。上表列出了这些运放类型的常用术语，以及它们的特性和应用范围。