運(yùn)算放大器的輸入級(jí)

問(wèn)：運(yùn)算放大器|0">運(yùn)算放大器為什么有這么多不同的型號(hào)？

答：因?yàn)榇嬖谥S多在不同應(yīng)用中有重要意義的參數(shù)，而且由于所有這些參數(shù)不能同時(shí)加以?xún)?yōu)化的緣故?？梢葬槍?duì)速度、噪聲（電壓、電流或二者）、輸入失調(diào)電壓及漂移、偏置電流及漂移、共模范圍等來(lái)選擇運(yùn)算放大器，其它因素可能包括功率（輸出、損耗或電源）、環(huán)境溫度范圍以及封裝。不同的電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝可以?xún)?yōu)化不同的性能參數(shù)。

問(wèn)：在一些運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)中存在任何共同的要素嗎？

答：是的。大多數(shù)傳統(tǒng)（電壓輸入）的運(yùn)算放大器都是三級(jí)器件，包括一級(jí)帶有差動(dòng)輸入和差動(dòng)輸出的輸入級(jí)—具有很好的共模抑制特性；后面是有很高電壓增益以及（一般地）一個(gè)單極點(diǎn)頻率響應(yīng)的差動(dòng)輸入、單端輸出的輸出級(jí)；最后是一級(jí)通常為單位電壓增益的輸出級(jí)。

問(wèn)：那么差別在什么地方？

答：在這個(gè)基本設(shè)計(jì)上存在很多可能的變化，最基本的一點(diǎn)就是輸入級(jí)的結(jié)構(gòu)，這一級(jí)幾乎總是一個(gè)差動(dòng)放大器，也就是說(shuō)，像下圖中那樣連接的一對(duì)放大器件。但是器件的選擇對(duì)運(yùn)算放大器的輸入?yún)?shù)有著深遠(yuǎn)的影響。單片運(yùn)算放大器具有用雙極或場(chǎng)效應(yīng)晶體管組合成的輸入級(jí)。

用雙極晶體管組合成的差動(dòng)放大器如下圖所示。其顯著特點(diǎn)是它的低噪聲，以及通過(guò)適當(dāng)?shù)男拚泻艿偷碾妷菏д{(diào)。此外，如果修正上述這一級(jí)以使失調(diào)電壓為最小，那么它將固有最小的失調(diào)漂移。其主要缺點(diǎn)是由晶體管的射極和基極電流的比例造成的；如果為了使這一級(jí)有適當(dāng)?shù)膸挾股錁O電流足夠大，則基極電流—從而偏置電流將相對(duì)較大（在通用運(yùn)算放大器中為50～1000nA，在高速運(yùn)算放大器中高達(dá)10μA）。

反相和同相輸入端的偏置電流是單向的，并且匹配良好（它們的差被稱(chēng)為失調(diào)電流），它們隨著溫度的升高略有降低。在很多應(yīng)用中，對(duì)于那些偏置電流絕對(duì)值很大的情形，可以利用精確地匹配來(lái)補(bǔ)償。下面表示的是一個(gè)基極補(bǔ)償電路，其中同相輸入端中的偏置電流流入RC（稱(chēng)為偏置補(bǔ)償電阻）；它補(bǔ)償由于反相輸入端的偏置電流流過(guò)R2而產(chǎn)生的電壓降。名義上讓RC等于R1和R2的并聯(lián)組合，通過(guò)修正它可以使由失調(diào)電流不為零而引起的誤差減至最小。

這種偏置補(bǔ)償只有當(dāng)偏置電流匹配得很好時(shí)才是有用的，如果它們匹配得不好，偏置補(bǔ)償電阻實(shí)際上可能會(huì)引入誤差。

如果要求雙極輸入級(jí)沒(méi)有這樣一種大偏置電流的缺陷，可以靠芯片設(shè)計(jì)者采用不同的偏置補(bǔ)償方式來(lái)實(shí)現(xiàn)（下圖）。利用同樣的差動(dòng)放大器，但是每個(gè)基極所需要的電流的主要部分，由芯片上的電流產(chǎn)生器來(lái)提供。這樣可以把外部的偏置電流降低到10nA或更低而不影響失調(diào)、溫度漂移、帶寬或電壓噪聲，偏置電流隨溫度的變化也相當(dāng)?shù)汀?

這樣的結(jié)構(gòu)存在兩個(gè)缺點(diǎn)：增加了電流噪聲，并且外部偏置電流不能很好地匹配（的確，實(shí)際上它們可能以相反的方向流動(dòng)，或者隨著芯片溫度的變化而改變極性）。對(duì)于很多應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這些特性是沒(méi)有缺點(diǎn)的。確實(shí)，一種最流行的低失調(diào)運(yùn)算放大器，比如OP-07，采用的正是這樣一種結(jié)構(gòu)。像采用這種結(jié)構(gòu)的OP-27、OP-37以及AD707等具有可保證的失調(diào)電壓僅15μV。當(dāng)這種型號(hào)的偏置補(bǔ)償放大器的數(shù)據(jù)表明確地給出雙極性偏置電流，比如為±4.0nA時(shí)，它們通常是可看得出的。

在那些即使幾納安（毫微安）的偏置電流也是不能接受的地方，通常要用場(chǎng)效應(yīng)器件代替雙極晶體管。過(guò)去，MOSFET管用于運(yùn)算放大器的輸入級(jí)多少有點(diǎn)噪聲干擾，不過(guò)現(xiàn)代工藝技術(shù)正在克服這個(gè)缺點(diǎn)。由于MOSFET也往往會(huì)引起比較高的失調(diào)電壓，所以對(duì)于高性能的低偏置電流運(yùn)算放大器應(yīng)采用結(jié)型FET（JFET）管。典型的JFET運(yùn)算放大器的輸入級(jí)如下圖所示。

JFET的偏置電流與流入器件的電流沒(méi)有關(guān)系，所以即使寬帶JFET放大器也可以有非常低的偏置電流－幾十皮安（微微安）的值是很平常的。而AD549在室溫下有低于60fA（每三微秒一個(gè)電子）的可保證的偏置電流。

“在室溫下”這個(gè)限定條件是很關(guān)鍵的－JFET的偏置電流是它的柵極二極管的反向漏電流，而硅二極管的反向漏電流大約溫度每上升10℃增長(zhǎng)一倍。因此，JFET運(yùn)算放大器的偏置電流對(duì)溫度是不穩(wěn)定的。的確，在25℃和125℃之間，JFET運(yùn)算放大器的偏置電流增長(zhǎng)超過(guò)1000倍，由于大多數(shù)MOSFET放大器的偏置電流是它們柵極保護(hù)二極管的漏流，所以同樣的規(guī)律也適用于MOSFET放大器。

JFET放大器的失調(diào)電壓在制造期間可以進(jìn)行修正，但是最小失調(diào)未必與最小漂移相對(duì)應(yīng)。在JFET運(yùn)算放大器中，有必要分別調(diào)整失調(diào)和漂移，其結(jié)果導(dǎo)致電壓失調(diào)和漂移的值比由最 好的雙極放大器可獲得的更大一些（最好的JFET運(yùn)算放大器的典型值為250μV和5μV/℃）。然而，模擬器件公司新近的研究得出一種專(zhuān)利的修正的方法，用這種方法預(yù)期在下一代JFET運(yùn)放中可給出好得多的失調(diào)及漂移值。

這樣，我們就應(yīng)設(shè)法在運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓、失調(diào)漂移、偏置電流、偏置電流隨溫度的變化以及噪聲之間折衷選擇，而不同的結(jié)構(gòu)可以?xún)?yōu)化不同的特性。下表把三種最普通的運(yùn)放結(jié)構(gòu)作了比較，我們還應(yīng)該注意一種新型的AD705所代表的運(yùn)放，它使用的是雙極型超β輸入晶體管，它兼?zhèn)淞说褪д{(diào)電壓和低偏置電流及其漂移的特性。

運(yùn)算放大器輸入級(jí)的特性

簡(jiǎn)單的雙極型 偏置補(bǔ)償雙極型 FET

失調(diào)電壓 低 低 適中

失調(diào)漂移 低 低 適中

偏置電流 高 適中 低—非常低

偏置匹配 極好 差（電流可能反向）中等

偏置/溫度變化低 低 每上升10℃偏置電流加倍

噪聲 低 低 中等

問(wèn)：使用者還應(yīng)了解哪些其它特性？

答：JFET運(yùn)算放大器遇到的一個(gè)共同問(wèn)題是相位反轉(zhuǎn)。如果JFET運(yùn)算放大器的輸入共模電壓太靠近負(fù)電源，則反相和同相輸入端的功能顛倒。負(fù)反饋?zhàn)兂烧答伓娐房赡荛]鎖。閉鎖未必能損壞，但必須要關(guān)斷電源以便排除它。下圖表示的是這種相位反轉(zhuǎn)在沒(méi)有發(fā)生閉鎖電路中的影響?？梢酝ㄟ^(guò)采用雙極放大器或者用某種方法限制信號(hào)的共模范圍等手段來(lái)避免這類(lèi)問(wèn)題。

閉鎖更嚴(yán)重的形式可能出現(xiàn)在既有雙極型又有JFET的運(yùn)算放大器中，只要輸入信號(hào)變得比相應(yīng)運(yùn)放電源更正或更負(fù)。如果輸入端處于比+Vs＋0.7V更正或比－VS－0.7V更負(fù)，電流可能流入二極管中，這通常會(huì)使偏置截止?？赡軙?huì)依次打開(kāi)由運(yùn)算放大器中的某些擴(kuò)散工藝形成的晶閘管（SCR），造成電源短路并損壞器件。

為了避免出現(xiàn)這種有害的閉鎖現(xiàn)象，重要的是使運(yùn)算放大器的輸入端不要經(jīng)常超過(guò)電源電壓。在器件開(kāi)通期間，這一點(diǎn)可能具有重要的意義：如果在給運(yùn)算放大器供電以前，就把信號(hào)加到運(yùn)放上，那么當(dāng)加上電源時(shí)，運(yùn)放可能馬上損壞。所以，或者任一端的信號(hào)超過(guò)電源上的電壓，或是在運(yùn)放的電源加上之前信號(hào)就已存在，每當(dāng)存在這種危險(xiǎn)時(shí)，就應(yīng)當(dāng)使用二極管（最好是快速的低前向電壓的肖特基二極管）對(duì)危險(xiǎn)的那端加以箝位，以防止閉鎖的產(chǎn)生。還需要采用電流限制電阻以防止二極管電流過(guò)大（見(jiàn)圖）。

這種保護(hù)電路可能引起它固有的問(wèn)題，二極管中的漏電流可能影響電路的誤差預(yù)算（如果使用玻封二極管，只要曝露在熒光環(huán)境的燈光下，由于光電放應(yīng)，其漏電流可能被調(diào)制成100或120Hz。這樣，除了直流漏電流以外，還產(chǎn)生交流聲）；限流電阻中的約翰遜噪聲能使電路的噪聲特性惡化；而流到電阻中的偏置電流可能引起失調(diào)電壓的明顯增加，所以當(dāng)設(shè)計(jì)這種保護(hù)電路時(shí)，所有這些影響必須考慮。