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多年的曆史了。最早的工藝是采用矽NPN工藝，後來改進為矽NPN-PNP工藝(後麵稱為標準矽工藝)。在結型場效應管技術成熟後，又進一步的加入了結型場效應管工藝。當MOS管技術成熟後
，特別是CMOS技(ji)術(shu)成(cheng)熟(shu)後(hou)，模(mo)擬(ni)運(yun)算(suan)放(fang)大(da)器(qi)有(you)了(le)質(zhi)的(de)飛(fei)躍(yue)
，一(yi)方(fang)麵(mian)解(jie)決(jue)了(le)低(di)功(gong)耗(hao)的(de)問(wen)題(ti)，另(ling)一(yi)方(fang)麵(mian)通(tong)過(guo)混(hun)合(he)模(mo)擬(ni)與(yu)數(shu)字(zi)電(dian)路(lu)技(ji)術(shu)，解(jie)決(jue)了(le)直(zhi)流(liu)小(xiao)信(xin)號(hao)直(zhi)接(jie)處(chu)理(li)的(de)難(nan)題(ti)。

 

經jing過guo多duo年nian的de發fa展zhan，模mo擬ni運yun算suan放fang大da器qi技ji術shu已yi經jing很hen成cheng熟shu，性xing能neng曰yue臻zhen完wan善shan，品pin種zhong極ji多duo。這zhe使shi得de初chu學xue者zhe選xuan用yong時shi不bu知zhi如ru何he是shi好hao。為wei了le便bian於yu初chu學xue者zhe選xuan用yong，本ben文wen對dui集ji成cheng模mo擬ni運yun算suan放fang大da器qi采cai用yong工gong藝yi分fen類lei法fa和he功gong能neng/性能分類分類法等兩種分類方法
，便於讀者理解，可能與通常的分類方法有所不同。

 

1.1.根據製造工藝分類

 

根據製造工藝，目前在使用中的集成模擬運算放大器可以分為標準矽工藝運算放大器
、在標準矽工藝中加入了結型場效應管工藝的運算放大器、在標準矽工藝中加入了MOS工藝的運算放大器。按照工藝分類，是為了便於初學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。

 

標準矽工藝的集成模擬運算放大器的特點是開環輸入阻抗低
，輸入噪聲低、增益稍低、成本低
，精度不太高，功耗較高。這是由於標準矽工藝的集成模擬運算放大器內部全部采用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改進
，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
，典型開環輸入阻抗在1M歐姆數量級。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。標準矽工藝可以結合激光修正技術，使集成模擬運算放大器的精度大大提高，溫度漂移指標目前可以達到0.15ppm。通過變更標準矽工藝，可以設計出通用運放和高速運放。典型代表是LM324。

 

在zai標biao準zhun矽gui工gong藝yi中zhong加jia入ru了le結jie型xing場chang效xiao應ying管guan工gong藝yi的de運yun算suan放fang大da器qi主zhu要yao是shi將jiang標biao準zhun矽gui工gong藝yi的de集ji成cheng模mo擬ni運yun算suan放fang大da器qi的de輸shu入ru級ji改gai進jin為wei結jie型xing場chang效xiao應ying管guan，大da大da提ti高gao運yun放fang的de開kai環huan輸shu入ru阻zu抗kang，順shun帶dai提ti高gao通tong用yong運yun放fang的de轉zhuan換huan速su度du
，其qi它ta與yu標biao準zhun矽gui工gong藝yi的de集ji成cheng模mo擬ni運yun算suan放fang大da器qi類lei似si。典dian型xing開kai環huan輸shu入ru阻zu抗kang在zai1000M歐姆數量級。典型代表是TL084。

 

在標準矽工藝中加入了MOS場效應管工藝的運算放大器分為三類，一類是是將標準矽工藝的集成模擬運算放大器的輸入級改進為MOS場(chang)效(xiao)應(ying)管(guan)，比(bi)結(jie)型(xing)場(chang)效(xiao)應(ying)管(guan)大(da)大(da)提(ti)高(gao)運(yun)放(fang)的(de)開(kai)環(huan)輸(shu)入(ru)阻(zu)抗(kang)，順(shun)帶(dai)提(ti)高(gao)通(tong)用(yong)運(yun)放(fang)的(de)轉(zhuan)換(huan)速(su)度(du)，其(qi)它(ta)與(yu)標(biao)準(zhun)矽(gui)工(gong)藝(yi)的(de)集(ji)成(cheng)模(mo)擬(ni)運(yun)算(suan)放(fang)大(da)器(qi)類(lei)似(si)。典(dian)型(xing)開(kai)環(huan)輸(shu)入(ru)阻(zu)抗(kang)在(zai)10^12歐姆數量級。典型代表是CA3140。

 

第二類是采用全MOS場效應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，它的典型開環輸入阻抗在10^12歐姆數量級。

 

第三類是采用全MOS場效應管工藝的模擬數字混合運算放大器
，采用所謂斬波穩零技術，主要用於改善直流信號的處理精度，輸入失調電壓可以達到 0.01uV
，溫度漂移指標目前可以達到0.02ppm。在處理直流信號方麵接近理想運放特性。它的典型開環輸入阻抗在10^12歐姆數量級。典型產品是 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。實際上由於為了滿足應用需要，運放種類極多。本文以上述簡單分類法為準。

 

需要說明的是
，隨著技術的進步
，上述分類的門檻一直在變化。例如以前的LM108最zui初chu是shi歸gui入ru精jing密mi運yun放fang類lei，現xian在zai隻zhi能neng歸gui入ru通tong用yong運yun放fang了le。另ling外wai，有you些xie運yun放fang同tong時shi具ju有you低di功gong耗hao和he高gao輸shu入ru阻zu抗kang

，或huo者zhe與yu此ci類lei似si
，這zhe樣yang就jiu可ke能neng同tong時shi歸gui入ru多duo個ge類lei中zhong。

 

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上大降低了功耗，可以用於對功耗有**的場所
，例如手持設備。它具有靜態功耗低

、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技術的進步，低功耗運放已經不是個別現象。低功耗運放的靜態功耗一般低於1mW。

 

精密運放是指漂移和噪聲非常低、增益和共模抑製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於1uV/攝氏度。由於技術進步的原因，早期的部分運放的失調電壓比較高，可能達到1mV;現在精密運放的失調電壓可以達到0.1mV;采用斬波穩零技術的精密運放的失調電壓可以達到0.005mV。精密運放主要用於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型場效應管或是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於109歐姆。作為高輸入阻抗運放的一個附帶特性就是轉換速度比較高。高輸入阻抗運放用途十分廣泛

，例如采樣保持電路、積分器、對數放大器
、測量放大器、帶通濾波器等等。

 

高速運放是指轉換速度較高的運放。一般轉換速度在100V/us以上。高速運放用於高速AD/DA轉換器

、高速濾波器
、高速采樣保持、鎖相環電路
、模擬乘法器、機密比較器

、視頻電路中。目前最高轉換速度已經可以做到6000V/us。

 

寬帶運放是指-3dB帶寬(BW)比bi通tong用yong運yun放fang寬kuan得de多duo的de集ji成cheng運yun放fang。很hen多duo高gao速su運yun放fang都dou具ju有you較jiao寬kuan的de帶dai寬kuan，也ye可ke以yi稱cheng作zuo高gao速su寬kuan帶dai運yun放fang。這zhe個ge分fen類lei是shi相xiang對dui的de，同tong一yi個ge運yun放fang在zai不bu同tong使shi用yong條tiao件jian下xia的de分fen類lei可ke能neng有you所suo不bu同tong。寬kuan帶dai運yun放fang主zhu要yao用yong於yu處chu理li輸shu入ru信xin號hao的de帶dai寬kuan較jiao寬kuan的de電dian路lu。

 

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計的。在設計中，主要解決電路的耐壓、動態範圍和功耗的問題。高壓運放的電源電壓可以高於±20VDC
，輸出電壓可以高於±20VDC。當然，高壓運放可以用通用運放在輸出後麵外擴晶體管/MOS管來代替。

 

2. 運放的主要參數

 

本節以《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資料。

 

集成運放的參數較多
，其中主要參數分為直流指標和交流指標。

 

其中主要直流指標有輸入失調電壓
、輸入失調電壓的溫度漂移(簡稱輸入失調電壓溫漂)、輸入偏置電流、輸入失調電流、輸入偏置電流的溫度漂移(簡稱輸入失調電流溫漂)
、差模開環直流電壓增益、共模抑製比
、電源電壓抑製比、輸出峰-峰值電壓、最大共模輸入電壓、最大差模輸入電壓。

 

主要交流指標有開環帶寬、單位增益帶寬
、轉換速率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

 

輸入失調電壓VIO：shurushitiaodianyadingyiweijichengyunfangshuchuduandianyaweilingshi，lianggeshuruduanzhijiansuojiadebuchangdianya。shurushitiaodianyashijishangfanyingleyunfangneibudedianluduichengxing，duichengxingyuehao
，shurushitiaodianyayuexiao。shurushitiaodianyashiyunfangdeyigeshifenzhongyaodezhibiao
，tebieshijingmiyunfanghuoshiyongyuzhiliufangdashi。shurushitiaodianyayuzhizaogongyiyouyidingguanxi，qizhongshuangjixinggongyi(即上述的標準矽工藝)的輸入失調電壓在±1~10mV之間;采用場效應管做輸入級的，輸入失調電壓會更大一些。對於精密運放，輸入失調電壓一般在 1mV以下。輸入失調電壓越小，直流放大時中間零點偏移越小
，越容易處理。所以對於精密運放是一個極為重要的指標。

 

輸入失調電壓的溫度漂移(簡稱輸入失調電壓溫漂)αVIO：輸shu入ru失shi調tiao電dian壓ya的de溫wen度du漂piao移yi定ding義yi為wei在zai給gei定ding的de溫wen度du範fan圍wei內nei，輸shu入ru失shi調tiao電dian壓ya的de變bian化hua與yu溫wen度du變bian化hua的de比bi值zhi。這zhe個ge參can數shu實shi際ji是shi輸shu入ru失shi調tiao電dian壓ya的de補bu充chong，便bian於yu計ji算suan在zai給gei定ding的de工gong作zuo範fan圍wei內nei，放fang大da電dian路lu由you於yu溫wen度du變bian化hua造zao成cheng的de漂piao移yi大da小xiao。一yi般ban運yun放fang的de輸shu入ru失shi調tiao電dian壓ya溫wen漂piao在zai±10~20μV/℃之間，精密運放的輸入失調電壓溫漂小於±1μV/℃。

 

輸入偏置電流IIB：輸入偏置電流定義為當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。輸入偏置電流與製造工藝有一定關係，其中雙極型工藝(即上述的標準矽工藝)的輸入偏置電流在±10nA~1μA之間;采用場效應管做輸入級的
，輸入偏置電流一般低於1nA。

 

輸入失調電流IIO：輸shu入ru失shi調tiao電dian流liu定ding義yi為wei當dang運yun放fang的de輸shu出chu直zhi流liu電dian壓ya為wei零ling時shi

，其qi兩liang輸shu入ru端duan偏pian置zhi電dian流liu的de差cha值zhi。輸shu入ru失shi調tiao電dian流liu同tong樣yang反fan映ying了le運yun放fang內nei部bu的de電dian路lu對dui稱cheng性xing，對dui稱cheng性xing越yue好hao，輸shu入ru失shi調tiao電dian流liu越yue小xiao。輸shu入ru失shi調tiao電dian流liu是shi運yun放fang的de一yi個ge十shi分fen重zhong要yao的de指zhi標biao，特te別bie是shi精jing密mi運yun放fang或huo是shi用yong於yu直zhi流liu放fang大da時shi。輸shu入ru失shi調tiao電dian流liu大da約yue是shi輸shu入ru偏pian置zhi電dian流liu的de百bai分fen之zhi一yi到dao十shi分fen之zhi一yi。輸shu入ru失shi調tiao電dian流liu對dui於yu小xiao信xin號hao精jing密mi放fang大da或huo是shi直zhi流liu放fang大da有you重zhong要yao影ying響xiang，特te別bie是shi運yun放fang外wai部bu采cai用yong較jiao大da的de電dian阻zu(例如10k?或更大時)
，輸shu入ru失shi調tiao電dian流liu對dui精jing度du的de影ying響xiang可ke能neng超chao過guo輸shu入ru失shi調tiao電dian壓ya對dui精jing度du的de影ying響xiang。輸shu入ru失shi調tiao電dian流liu越yue小xiao，直zhi流liu放fang大da時shi中zhong間jian零ling點dian偏pian移yi越yue小xiao，越yue容rong易yi處chu理li。所suo以yi對dui於yu精jing密mi運yun放fang是shi一yi個ge極ji為wei重zhong要yao的de指zhi標biao

 

輸入失調電流的溫度漂移(簡稱輸入失調電流溫漂)：shurupianzhidianliudewendupiaoyidingyiweizaigeidingdewendufanweinei，shurushitiaodianliudebianhuayuwendubianhuadebizhi。zhegecanshushijishishurushitiaodianliudebuchong，bianyujisuanzaigeidingdegongzuofanweinei
，fangdadianluyouyuwendubianhuazaochengdepiaoyidaxiao。shurushitiaodianliuwenpiaoyibanzhishizaijingmiyunfangcanshuzhonggeichu，erqieshizaiyongyizhiliuxinhaochulihuoshixiaoxinhaochulishicaixuyaoguanzhu。

 

差模開環直流電壓增益：差cha模mo開kai環huan直zhi流liu電dian壓ya增zeng益yi定ding義yi為wei當dang運yun放fang工gong作zuo於yu線xian性xing區qu時shi
，運yun放fang輸shu出chu電dian壓ya與yu差cha模mo電dian壓ya輸shu入ru電dian壓ya的de比bi值zhi。由you於yu差cha模mo開kai環huan直zhi流liu電dian壓ya增zeng益yi很hen大da
，大da多duo數shu運yun放fang的de差cha模mo開kai環huan直zhi流liu電dian壓ya增zeng益yi一yi般ban在zai數shu萬wan倍bei或huo更geng多duo，用yong數shu值zhi直zhi接jie表biao示shi不bu方fang便bian比bi較jiao，所suo以yi一yi般ban采cai用yong分fen貝bei方fang式shi記ji錄lu和he比bi較jiao。一yi般ban運yun放fang的de差cha模mo開kai環huan直zhi流liu電dian壓ya增zeng益yi在zai 80~120dB之間。實際運放的差模開環電壓增益是頻率的函數
，為了便於比較，一般采用差模開環直流電壓增益

 

共模抑製比：共模抑製比定義為當運放工作於線性區時，運放差模增益與共模增益的比值。共模抑製比是一個極為重要的指標，它能夠抑製差模輸入==模mo幹gan擾rao信xin號hao。由you於yu共gong模mo抑yi製zhi比bi很hen大da，大da多duo數shu運yun放fang的de共gong模mo抑yi製zhi比bi一yi般ban在zai數shu萬wan倍bei或huo更geng多duo，用yong數shu值zhi直zhi接jie表biao示shi不bu方fang便bian比bi較jiao

，所suo以yi一yi般ban采cai用yong分fen貝bei方fang式shi記ji錄lu和he比bi較jiao。一yi般ban運yun放fang的de共gong模mo抑yi製zhi比bi在zai80~120dB之間。

 

電源電壓抑製比：電dian源yuan電dian壓ya抑yi製zhi比bi定ding義yi為wei當dang運yun放fang工gong作zuo於yu線xian性xing區qu時shi
，運yun放fang輸shu入ru失shi調tiao電dian壓ya隨sui電dian源yuan電dian壓ya的de變bian化hua比bi值zhi。電dian源yuan電dian壓ya抑yi製zhi比bi反fan映ying了le電dian源yuan變bian化hua對dui運yun放fang輸shu出chu的de影ying響xiang。目mu前qian電dian源yuan電dian壓ya抑yi製zhi比bi隻zhi能neng做zuo到dao80dBzuoyou。suoyiyongzuozhiliuxinhaochulihuoshixiaoxinhaochulimonifangdashi
，yunfangdedianyuanxuyaozuorenzhenxizhidechuli。dangran
，gongmoyizhibigaodeyunfang，nenggoubuchangyibufendianyuandianyayizhibi，lingwaizaishiyongshuangdianyuangongdianshi，zhengfudianyuandedianyuandianyayizhibikenengbuxiangtong。

 

輸出峰-峰值電壓：輸出峰-峰feng值zhi電dian壓ya定ding義yi為wei，當dang運yun放fang工gong作zuo於yu線xian性xing區qu時shi
，在zai指zhi定ding的de負fu載zai下xia
，運yun放fang在zai當dang前qian大da電dian源yuan電dian壓ya供gong電dian時shi
，運yun放fang能neng夠gou輸shu出chu的de最zui大da電dian壓ya幅fu度du。除chu低di壓ya運yun放fang外wai，一yi般ban運yun放fang的de輸shu出chu輸shu出chu峰feng-峰值電壓大於±10V。一般運放的輸出峰-峰值電壓不能達到電源電壓，這是由於輸出級設計造成的
，現代部分低壓運放的輸出級做了特殊處理，使得在10k?負載時，輸出峰-峰值電壓接近到電源電壓的50mV以內，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-峰值電壓與負載有關
，負載不同，輸出峰-峰值電壓也不同;運放的正負輸出電壓擺幅不一定相同。對於實際應用
，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計。但是現在的滿幅輸出運放隻能工作在低壓，而且成本較高。

 

最大共模輸入電壓：zuidagongmoshurudianyadingyiwei
，dangyunfanggongzuoyuxianxingqushi，zaiyunfangdegongmoyizhibitexingxianzhubianhuaishidegongmoshurudianya。yibandingyiweidanggongmoyizhibixiajiang6dB 是所對應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**了輸入信號中的最大共模輸入電壓範圍，在有幹擾的情況下，需要在電路設計中注意這個問題。

 

最大差模輸入電壓：最(zui)大(da)差(cha)模(mo)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)定(ding)義(yi)為(wei)，運(yun)放(fang)兩(liang)輸(shu)入(ru)端(duan)允(yun)許(xu)加(jia)的(de)最(zui)大(da)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)差(cha)。當(dang)運(yun)放(fang)兩(liang)輸(shu)入(ru)端(duan)允(yun)許(xu)加(jia)的(de)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)差(cha)超(chao)過(guo)最(zui)大(da)差(cha)模(mo)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)時(shi)，可(ke)能(neng)造(zao)成(cheng)運(yun)放(fang)輸(shu)入(ru)級(ji)損(sun)壞(huai)。

 

 

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