运算放大器分类及作用Word下载.docx
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它的典型开环输入阻抗在10^12欧姆数量级。
典型产品是ICL7650。
1．2．按照功能/性能分类
本分类方法参考了《中国集成电路大全》集成运算放大器。
按照功能/性能分类，模拟运算放大器一般可分为通用运放、低功耗运放、精密运放、高输入阻抗运放、高速运放、宽带运放、高压运放，另外还有一些特殊运放，例如程控运放、电流运放、电压跟随器等等。
实际上由于为了满足应用需要，运放种类极多。
本文以上述简单分类法为准。
需要说明的是，随着技术的进步，上述分类的门槛一直在变化。
例如以前的LM108最初是归入精密运放类，现在只能归入通用运放了。
另外，有些运放同时具有低功耗和高输入阻抗，或者与此类似，这样就可能同时归入多个类中。
通用运放实际就是具有最基本功能的最廉价的运放。
这类运放用途广泛，使用量最大。
低功耗运放是在通用运放的基础上大降低了功耗，可以用于对功耗有限制的场所，例如手持设备。
它具有静态功耗低、工作电压可以低到接近电池电压、在低电压下还能保持良好的电气性能。
随着MOS技术的进步，低功耗运放已经不是个别现象。
低功耗运放的静态功耗一般低于1mW。
精密运放是指漂移和噪声非常低、增益和共模抑制比非常高的集成运放，也称作低漂移运放或低噪声运放。
这类运放的温度漂移一般低于1uV/摄氏度。
由于技术进步的原因，早期的部分运放的失调电压比较高，可能达到1mV；
现在精密运放的失调电压可以达到0.1mV；
采用斩波稳零技术的精密运放的失调电压可以达到0.005mV。
精密运放主要用于对放大处理精度有要求的地方，例如自控仪表等等。
高输入阻抗运放一般是指采用结型场效应管或是MOS管做输入级的集成运放，这包括了全MOS管做的集成运放。
高输入阻抗运放的输入阻抗一般大于109欧姆。
作为高输入阻抗运放的一个附带特性就是转换速度比较高。
高输入阻抗运放用途十分广泛，例如采样保持电路、积分器、对数放大器、测量放大器、带通滤波器等等。
高速运放是指转换速度较高的运放。
一般转换速度在100V/us以上。
高速运放用于高速AD/DA转换器、高速滤波器、高速采样保持、锁相环电路、模拟乘法器、机密比较器、视频电路中。
目前最高转换速度已经可以做到6000V/us。
宽带运放是指-3dB带宽（BW）比通用运放宽得多的集成运放。
很多高速运放都具有较宽的带宽，也可以称作高速宽带运放。
这个分类是相对的，同一个运放在不同使用条件下的分类可能有所不同。
宽带运放主要用于处理输入信号的带宽较宽的电路。
高压运放是为了解决高输出电压或高输出功率的要求而设计的。
在设计中，主要解决电路的耐压、动态范围和功耗的问题。
高压运放的电源电压可以高于±
20VDC，输出电压可以高于±
20VDC。
当然，高压运放可以用通用运放在输出后面外扩晶体管/MOS管来代替。
2．运放的主要参数
本节以《中国集成电路大全》集成运算放大器为主要参考资料，同时参考了其它相关资料。
集成运放的参数较多，其中主要参数分为直流指标和交流指标。
其中主要直流指标有输入失调电压、输入失调电压的温度漂移（简称输入失调电压温漂）、输入偏置电流、输入失调电流、输入偏置电流的温度漂移（简称输入失调电流温漂）、差模开环直流电压增益、共模抑制比、电源电压抑制比、输出峰-峰值电压、最大共模输入电压、最大差模输入电压。
主要交流指标有开环带宽、单位增益带宽、转换速率SR、全功率带宽、建立时间、等效输入噪声电压、差模输入阻抗、共模输入阻抗、输出阻抗。
2．1
直流指标
输入失调电压VIO：
输入失调电压定义为集成运放输出端电压为零时，两个输入端之间所加的补偿电压。
输入失调电压实际上反映了运放内部的电路对称性，对称性越好，输入失调电压越小。
输入失调电压是运放的一个十分重要的指标，特别是精密运放或是用于直流放大时。
输入失调电压与制造工艺有一定关系，其中双极型工艺（即上述的标准硅工艺）的输入失调电压在±
1~10mV之间；
采用场效应管做输入级的，输入失调电压会更大一些。
对于精密运放，输入失调电压一般在1mV以下。
输入失调电压越小，直流放大时中间零点偏移越小，越容易处理。
所以对于精密运放是一个极为重要的指标。
输入失调电压的温度漂移（简称输入失调电压温漂）αVIO：
输入失调电压的温度漂移定义为在给定的温度范围内，输入失调电压的变化与温度变化的比值。
这个参数实际是输入失调电压的补充，便于计算在给定的工作范围内，放大电路由于温度变化造成的漂移大小。
一般运放的输入失调电压温漂在±
10~20μV/℃之间，精密运放的输入失调电压温漂小于±
1μV/℃。
输入偏置电流IIB：
输入偏置电流定义为当运放的输出直流电压为零时，其两输入端的偏置电流平均值。
输入偏置电流对进行高阻信号放大、积分电路等对输入阻抗有要求的地方有较大的影响。
输入偏置电流与制造工艺有一定关系，其中双极型工艺（即上述的标准硅工艺）的输入偏置电流在±
10nA~1μA之间；
采用场效应管做输入级的，输入偏置电流一般低于1nA。
输入失调电流IIO：
输入失调电流定义为当运放的输出直流电压为零时，其两输入端偏置电流的差值。
输入失调电流同样反映了运放内部的电路对称性，对称性越好，输入失调电流越小。
输入失调电流是运放的一个十分重要的指标，特别是精密运放或是用于直流放大时。
输入失调电流大约是输入偏置电流的百分之一到十分之一。
输入失调电流对于小信号精密放大或是直流放大有重要影响，特别是运放外部采用较大的电阻（例如10k?
或更大时），输入失调电流对精度的影响可能超过输入失调电压对精度的影响。
输入失调电流越小，直流放大时中间零点偏移越小，越容易处理。
输入失调电流的温度漂移（简称输入失调电流温漂）：
输入偏置电流的温度漂移定义为在给定的温度范围内，输入失调电流的变化与温度变化的比值。
这个参数实际是输入失调电流的补充，便于计算在给定的工作范围内，放大电路由于温度变化造成的漂移大小。
输入失调电流温漂一般只是在精密运放参数中给出，而且是在用以直流信号处理或是小信号处理时才需要关注。
差模开环直流电压增益：
差模开环直流电压增益定义为当运放工作于线性区时，运放输出电压与差模电压输入电压的比值。
由于差模开环直流电压增益很大，大多数运放的差模开环直流电压增益一般在数万倍或更多，用数值直接表示不方便比较，所以一般采用分贝方式记录和比较。
一般运放的差模开环直流电压增益在80~120dB之间。
实际运放的差模开环电压增益是频率的函数，为了便于比较，一般采用差模开环直流电压增益。
共模抑制比：
共模抑制比定义为当运放工作于线性区时，运放差模增益与共模增益的比值。
共模抑制比是一个极为重要的指标，它能够抑制差模输入==模干扰信号。
由于共模抑制比很大，大多数运放的共模抑制比一般在数万倍或更多，用数值直接表示不方便比较，所以一般采用分贝方式记录和比较。
一般运放的共模抑制比在80~120dB之间。
电源电压抑制比：
电源电压抑制比定义为当运放工作于线性区时，运放输入失调电压随电源电压的变化比值。
电源电压抑制比反映了电源变化对运放输出的影响。
目前电源电压抑制比只能做到80dB左右。
所以用作直流信号处理或是小信号处理模拟放大时，运放的电源需要作认真细致的处理。
当然，共模抑制比高的运放，能够补偿一部分电源电压抑制比，另外在使用双电源供电时，正负电源的电源电压抑制比可能不相同。
输出峰-峰值电压：
输出峰-峰值电压定义为，当运放工作于线性区时，在指定的负载下，运放在当前大电源电压供电时，运放能够输出的最大电压幅度。
除低压运放外，一般运放的输出输出峰-峰值电压大于±
10V。
一般运放的输出峰-峰值电压不能达到电源电压，这是由于输出级设计造成的，现代部分低压运放的输出级做了特殊处理，使得在10k?
负载时，输出峰-峰值电压接近到电源电压的50mV以内，所以称为满幅输出运放，又称为轨到轨（raid-to-raid）运放。
需要注意的是，运放的输出峰-峰值电压与负载有关，负载不同，输出峰-峰值电压也不同；
运放的正负输出电压摆幅不一定相同。
对于实际应用，输出峰-峰值电压越接近电源电压越好，这样可以简化电源设计。
但是现在的满幅输出运放只能工作在低压，而且成本较高。
最大共模输入电压：
最大共模输入电压定义为，当运放工作于线性区时，在运放的共模抑制比特性显著变坏时的共模输入电压。
一般定义为当共模抑制比下降6dB是所对应的共模输入电压作为最大共模输入电压。
最大共模输入电压限制了输入信号中的最大共模输入电压范围，在有干扰的情况下，需要在电路设计中注意这个问题。
最大差模输入电压：
最大差模输入电压定义为，运放两输入端允许加的最大输入电压差。
当运放两输入端允许加的输入电压差超过最大差模输入电压时，可能造成运放输入级损坏。
2．2
主要交流指标
开环带宽：
开环带宽定义为，将一个恒幅正弦小信号输入到运放的输入端，从运放的输出端测得开环电压增益从运放的直流增益下降3db（或是相当于运放的直流增益的0.707）所对应的信号频率。
这用于很小信号处理。
单位增益带宽GB：
单位增益带宽定义为，运放的闭环增益为1倍条件下，将一个恒幅正弦小信号输入到运放的输入端，从运放的输出端测得闭环电压增益下降3db（或是相当于运放输入信号的0.707）所对应的信号频率。
单位增益带宽是一个很重要的指标，对于正弦小信号放大时，单位增益带宽等于输入信号频率与该频率下的最大增益的乘积，换句话说，就是当知道要处理的信号频率和信号需要的增以后，可以计算出单位增益带宽，用以选择合适的运放。
这用于小信号处理中运放选型。
转换速率（也称为压摆率）SR：
运放转换速率定义为，运放接成闭环条件下，将一个大信号（含阶跃信号）输入到运放的输入端，从运放的输出端测得运放的输出上升速率。
由于在转换期间，运放的输入级处于开关状态，所以运放的反馈回路不起作用，也就是转换速率与闭环增益无关。
转换速率对于大信号处理是一个很重要的指标，对于一般运放转换速率SR<
=10V/μs，高速运放的转换速率SR>
10V/μs。
目前的高速运放最高转换速率SR达到6000V/μs。
这用于大信号处理中运放选型。
全功率带宽BW：
全功率带宽定义为，在额定的负载时，运放的闭环增益为1倍条件下，将一个恒幅正弦大信号输入到运放的输入端，使运放输出幅度达到最大（允许一定失真）的信号频率。
这个频率受到运放转换速率的限制。
近似地，全功率带宽=转换速率/2πVop（Vop是运放的峰值输出幅度）。
全功率带宽是一个很重要的指标，用于大信号处理中运放选型。
建立时间：
建立时间定义为，在额定的负载时，运放的闭环增益为1倍条件下，将一个阶跃大信号输入到运放的输入端，使运放输出由0增加到某一给定值的所需要的时间。
由于是阶跃大信号输入，输出信号达到给定值后会出现一定抖动，这个抖动时间称为稳定时间。
稳定时间+上升时间=建立时间。
对于不同的输出精度，稳定时间有较大差别，精度越高，稳定时间越长。
建立时间是一个很重要的指标，用于大信号处理中运放选型。
等效输入噪声电压：
等效输入噪声电压定义为，屏蔽良好、无信号输入的的运放，在其输出端产生的任何交流无规则的干扰电压。
这个噪声电压折算到运放输入端时，就称为运放输入噪声电压（有时也用噪声电流表示）。
对于宽带噪声，普通运放的输入噪声电压有效值约10~20μV。
差模输入阻抗（也称为输入阻抗）：
差模输入阻抗定义为，运放工作在线性区时，两输入端的电压变化量与对应的输入端电流变化量的比值。
差模输入阻抗包括输入电阻和输入电容，在低频时仅指输入电阻。
一般产品也仅仅给出输入电阻。
采用双极型晶体管做输入级的运放的输入电阻不大于10兆欧；
场效应管做输入级的运放的输入电阻一般大于109欧。
共模输入阻抗：
共模输入阻抗定义为，运放工作在输入信号时（即运放两输入端输入同一个信号），共模输入电压的变化量与对应的输入电流变化量之比。
在低频情况下，它表现为共模电阻。
通常，运放的共模输入阻抗比差模输入阻抗高很多，典型值在108欧以上。
输出阻抗：
输出阻抗定义为，运放工作在线性区时，在运放的输出端加信号电压，这个电压变化量与对应的电流变化量的比值。
在低频时仅指运放的输出电阻。
这个参数在开环测试。
3．运算放大器的对信号放大的影响和运放的选型
由于运算放大器芯片型号众多，即使按照上述办法分类，种类也不少，细分就更多了，这对于初学者就难免犯晕。
本节力求通过几个实际电路的分析，明确运算放大器的对信号放大的影响，最后总结如何选择运放。
CA3140的主要指标为：
项目
单位
参数
输入失调电压
μV
5000
输入失调电压温度漂移
μV/℃
8
输入失调电流
pA
0.5
输入失调电流温度漂移
pA/℃
0.005
这样可以计算出，在25℃的温度下的失调误差造成的影响如下：
输入失调电压造成的误差
输入失调电流造成的误差
0.0045
合计本项误差为
输入信号200mV时的相对误差
%
2.5
输入信号100mV时的相对误差
5
输入信号
25mV时的相对误差
20
10mV时的相对误差
50
1mV时的相对误差
500
初步结论是：
高阻运放的输入失调电流很小，它造成的误差远远不及输入失调电压造成的误差，可以忽略；
而输入失调电压造成的误差仍然不小，但是可以在工作范围的中心温度处通过调零消除。
这样可以计算出，0~25℃的温度漂移造成的影响如下：
输入失调电压温漂造成的误差
200
输入失调电流温漂造成的误差
0.001
0.1
0.2
0.8
2
高阻运放的输入失调电流温漂很小，它造成的误差远远不及输入失调电压温漂造成的误差，可以忽略；
在使用高阻运放时，由于失调电压温度系数较大，造成的影响较大，使得它不适合放大100mV以下直流信号。
若以上两项误差合计将更大。
由于高阻运放的输入失调电流只有通用运放的千分之一，因此若其它条件不变，仅仅运放的外围电阻等比例增加一倍，几乎不会造成可明显察觉的误差。
HA5159的主要指标为：
10000
nA
6
60
54.5
10054
5.0
10.1
40.2
100.5
1005
输入失调电压和输入失调电流造成的误差较大，但是可以在工作范围的中心温度处通过调零消除。
其中输入失调电压造成的误差远远超过输入失调电流造成的误差。
13.6
513
0.3
0.51
2.05
5.14
51.4
在使用高速运放时，由于失调电压温度系数较大，造成的影响较大，使得它不适合放大100mV以下直流信号。
若其它条件不变，仅仅运放的外围电阻等比例增加一倍，造成误差如下：
109
10109
27.3
527
初步结论：
仅仅运放的外围电阻等比例增加一倍，运放的输入失调电压和输入失调电压温漂造成误差不变，而输入失调电流和输入失调电流温漂造成的误差随之增加了一倍。
所以，对于高阻信号源或是运放外围的电阻较高时，输入失调电流和输入失调电流温漂造成的误差会很快增加，甚至有可能超过输入失调电压和输入失调电压温漂造成误差，所以这时需要考虑采用高阻运放或是低失调运放。
低功耗运放LF441的主要指标为：
7500
10
1.5
15
7513
3.8
7.5
30.1
75.1
751
250
3.4
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