運算放大器工作原理,分類及特點介紹

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多年的歷史了。最早的工藝是采用硅NPN工藝，后來改進為硅NPN-PNP工藝（后面稱為標準硅工藝）。在結型場效應管技術成熟后，又進一步的加入了結型場效應管工藝。當MOS管技術成熟后，特別是CMOS技術成熟后，模擬運算放大器有了質的飛躍，一方面解決了低功耗的問題，另一方面通過混合模擬與數字電路技術，解決了直流小信號直接處理的難題。

    經過多年的發展，模擬運算放大器技術已經很成熟，性能曰臻完善，品種極多。這使得初學者選用時不知如何是好。為了便于初學者選用，本文對集成模擬運算放大器采用工藝分類法和功能/性能分類分類法等兩種分類方法，便于讀者理解，可能與通常的分類方法有所不同。

1．1．根據制造工藝分類

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

    標準硅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。這是由于標準硅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。標準硅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。通過變更標準硅工藝，可以設計出通用運放和高速運放。典型代表是LM324。

    在標準硅工藝中加入了結型場效應管工藝的運算放大器主要是將標準硅工藝的集成模擬運算放大器的輸入級改進為結型場效應管，大大提高運放的開環輸入阻抗，順帶提高通用運放的轉換速度，其它與標準硅工藝的集成模擬運算放大器類似。典型開環輸入阻抗在1000M歐姆數量級。典型代表是TL084。

在標準硅工藝中加入了MOS場效應管工藝的運算放大器分為三類，一類是是將標準硅工藝的集成模擬運算放大器的輸入級改進為MOS場效應管，比結型場效應管大大提高運放的開環輸入阻抗，順帶提高通用運放的轉換速度，其它與標準硅工藝的集成模擬運算放大器類似。典型開環輸入阻抗在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，主要用于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。在處理直流信號方面接近理想運放特性。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。實際上由于為了滿足應用需要，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最初是歸入精密運放類，現在只能歸入通用運放了。另外，有些運放同時具有低功耗和高輸入阻抗，或者與此類似，這樣就可能同時歸入多個類中。

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，可以用于對功耗有限制的場所，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于1mW。

精密運放是指漂移和噪聲非常低、增益和共模抑制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于1uV/攝氏度。由于技術進步的原因，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。精密運放主要用于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于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。高速運放用于高速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）比通用運放寬得多的集成運放。很多高速運放都具有較寬的帶寬，也可以稱作高速寬帶運放。這個分類是相對的，同一個運放在不同使用條件下的分類可能有所不同。寬帶運放主要用于處理輸入信號的帶寬較寬的電路。

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、動態范圍和功耗的問題。高壓運放的電源電壓可以高于±20VDC，輸出電壓可以高于±20VDC。當然，高壓運放可以用通用運放在輸出后面外擴晶體管/MOS管來代替。