問：為什么有這么多不同類型的運算放大器？

A.因為在不同的應用中有很多重要的參數，并且不可能一次優(yōu)化所有參數。運算放大器可以選擇速度、噪聲（電壓、電流或兩者）、輸入失調電壓和漂移、偏置電流及其漂移以及共模范圍。其他因素可能包括功率：輸出、耗散或電源、環(huán)境溫度范圍和封裝。不同的電路架構和制造工藝優(yōu)化了不同的性能參數。

Q. 運算放大器的設計中是否有任何共同因素？

A. 是的，大多數經典（電壓輸入）運算放大器是三級器件，由具有差分輸入和差分輸出的輸入級組成，具有良好的共模抑制，然后是具有高電壓增益和（通常）單極點頻率響應的差分輸入單端輸出級;最后是輸出級，通常具有單位電壓增益。

問：那么區(qū)別在哪里？

A.此基本設計有許多可能的變化。其中最基本的是輸入級的結構。該級幾乎總是一對長尾器件，也就是說，如圖所示連接了一對放大器件，但器件的選擇對運算放大器的輸入參數有著深遠的影響。該圖是用熱離子管繪制的，以避免任何偏袒任何特定半導體器件的暗示。由于目前熱離子器件通常沒有IC芯片形式，因此單片運算放大器將具有由雙極性或場效應晶體管構建的輸入級。

下圖顯示了用雙極晶體管構建的長尾對。其強大的特點是低噪聲，以及通過適當的調整，低電壓偏移。此外，如果將此類級調整為最小失調電壓，則其固有的失調漂移最小。它的主要缺點源于晶體管的發(fā)射極和基極電流的比例性;如果發(fā)射極電流大到足以使級具有合理的帶寬，則基極電流以及偏置電流將相對較大（通用運算放大器為50至1，000 nA，高速運算放大器高達10 μA）。

反相和同相輸入中的偏置電流是單極性的，并且匹配良好（它們的差值稱為失調電流），并且隨著溫度的升高而以較小的方式減小。在許多應用中，精確匹配可用于補償其高絕對值。該圖顯示了一個偏置補償電路，其中同相輸入中的偏置電流以R為單位流動。c（稱為偏置補償電阻）;當反相輸入中的偏置電流流過R2時，這可補償壓降。Rc標稱上等于R1和R2的并聯組合——可以對其進行調整以最小化由于非零失調電流引起的誤差）。

這種偏置補償僅在偏置電流匹配良好時才有用。如果它們不匹配，偏置補償電阻實際上可能會引入誤差。

如果需要雙極性輸入級而沒有如此高偏置電流的缺點，則芯片設計人員可以使用不同形式的偏置補償（下圖）。使用相同的長尾對，但每個基極所需的大部分電流由芯片上的電流發(fā)生器提供。這樣可以將外部偏置電流降低到10 nA或更低，而不會影響失調、溫度漂移、帶寬或電壓噪聲。偏置電流隨溫度的變化相當小。

這種架構有兩個缺點：電流噪聲增加，外部偏置電流不匹配（實際上，它們實際上可能沿相反方向流動，或者隨著芯片溫度的變化而改變極性）。對于許多應用，這些功能沒有缺點;事實上，最流行的低失調運算放大器架構之一OP-07就是使用這種架構，OP-27、OP-37和AD707也是如此，其保證失調電壓僅為15 μV。 當數據手冊明確指定雙極性偏置電流（例如±4.0 nA）時，通?？梢宰R別這種類型的偏置放大器。

在甚至幾納安的偏置電流也無法忍受的情況下，雙極晶體管通常被場效應器件取代。過去，MOSFET對于運算放大器輸入級來說有些嘈雜，盡管現代處理技術正在克服這一缺點。由于MOSFET也往往具有相對較高的失調電壓，因此結型FET（JFET）用于高性能低偏置電流運算放大器。該圖顯示了典型的JFET運算放大器輸入級。

JFET的偏置電流與器件中流動的電流無關，因此即使是寬帶JFET放大器也可能具有極低的偏置電流值，只有幾十皮安是司空見慣的，AD549在室溫下的保證偏置電流小于60 fA（每三微秒一個電子！

“室溫下”的鑒定至關重要——JFET的偏置電流是其柵極二極管的反向漏電流，硅二極管的反向漏電流隨著溫度每升高10°C而增加一倍。因此，JFET運算放大器的偏置電流隨溫度變化并不穩(wěn)定。實際上，在25°C至125°C之間，JFET運算放大器的偏置電流增加了1，000倍以上。（同樣的定律也適用于MOSFET放大器，因為大多數MOSFET放大器的偏置電流是其柵極保護二極管的漏電流。

JFET放大器的失調電壓可以在制造過程中進行調整，但最小失調不一定對應于最小溫度漂移。因此，有必要在JFET運算放大器中分別調整失調和漂移，這導致電壓失調和漂移值略大于最佳雙極性放大器（250 μV和5 μV/°C是最佳JFET運算放大器的典型值）。然而，ADI公司最近的研究產生了一種獲得專利的修整方法，有望在下一代JFET運算放大器中產生更好的值。

因此，我們看到，在運算放大器中，失調電壓、失調漂移、偏置電流、偏置電流溫度變化和噪聲之間存在權衡，并且不同的架構優(yōu)化了不同的特性。下表比較了三種最常見的運算放大器架構的特性。我們應該注意另一個類別，以新型AD705為代表，使用雙極性超β輸入晶體管;它結合了低失調電壓和漂移以及低偏置電流和漂移。

運算放大器輸入級的特性

Q. 用戶還應該了解運算放大器的哪些其他特性？

A.JFET運算放大器遇到的一個常見問題是相位反轉。如果JFET運算放大器的輸入共模電壓過于接近負電源，則反相和同相輸入端子將反向工作。負反饋變?yōu)檎答?，電路可能會閉鎖。這種閂鎖不太可能具有破壞性，但可能必須關閉電源才能糾正它。該圖顯示了這種相位反轉在不發(fā)生閂鎖的電路中的影響。通過使用雙極性放大器或以某種方式限制信號的共模范圍，可以避免該問題。

如果輸入信號變得比相應的運算放大器電源更正或更負，則雙極性和JFET運算放大器中都可能發(fā)生更嚴重的閂鎖形式。如果輸入端子的正電壓高于+Vs + 0.7 V或負值高于-Vs - 0.7 V，則電流可能會流入通常偏置關閉的二極管。這反過來又可能打開由運算放大器中的某些擴散形成的晶閘管（SCR），使電源短路并損壞器件。

為避免這種破壞性的閂鎖，必須防止運算放大器的輸入端子超過電源。這可能會在器件開啟期間產生重要影響：如果在運算放大器上電之前將信號施加到運算放大器上電，則在通電時可能會立即被破壞。每當存在風險時，無論是信號超過電源電壓，還是運算放大器上電前存在的信號，都應用二極管（最好是快速低壓肖特基二極管）箝位有風險的端子，以防止發(fā)生閂鎖?？赡苓€需要限流電阻來防止二極管電流過大（見圖）。

這種保護電路本身就會引起問題。二極管中的漏電流可能會影響電路的誤差預算（如果使用玻璃封裝二極管，如果暴露在熒光環(huán)境照明下，由于光電效應，它們的漏電流可能會調制在 100 或 120 Hz，從而產生嗡嗡聲和直流漏電流）;限流電阻中的約翰遜噪聲可能會使電路的噪聲性能惡化;在電阻中流動的偏置電流可能會使失調電壓明顯增加。在設計這種保護時，必須考慮所有這些影響。

審核編輯：郭婷