运算放大器的分类及特点，运算放大器的分类及特点

一、运算放大器的分类及特点

自模拟运算放大器诞生以来已有40多年的历史。最早的工艺是采用硅NPN工艺，后来改进为硅NPN-PNP工艺（以下简称标准硅工艺）。结场效应晶体管（JFET）技术成熟后，又进一步加入了JFET工艺。当MOS管技术成熟时。特别是在CMOS技术成熟后，模拟运算放大器有了质的飞跃。一方面解决了低功耗的问题;另一方面，通过使用混合模拟和数字电路技术解决了直流小信号的直接处理问题。

经过多年的发展，模拟运算放大器技术已经非常成熟，性能完美，种类繁多。这使得初学者不知道如何选择合适的。为了方便初学者选择，本文采用过程分类和功能/性能分类等两种分类方法对集成模拟运算放大器进行分类，便于读者理解，这种方法可能与通常的分类方法不同。

1.1 基于制造工艺的分类

根据制造工艺，目前使用的集成模拟运算放大器可分为标准硅工艺运算放大器、在标准硅工艺中结合JFET工艺的运算放大器和在标准硅工艺中结合MOS工艺的运算放大器。按工艺分类是为了方便初学者了解处理技术对集成模拟运算放大器性能的影响，快速掌握运算放大器的特性。

基于标准硅工艺的集成模拟运算放大器的特点是低开环输入阻抗、低输入噪声、增益略低、成本低、精度低、功耗高。这是因为标准硅工艺的集成模拟运算放大器内部都是NPN-PNP管。考虑到频率特性，中间增益级不能太多，这样会使总增益变小，一般在80~110dB之间。标准硅工艺可与激光校正技术相结合，大大提高集成模拟运算放大器的精度。目前温度漂移参数可达0.15ppm。通过改变标准的硅工艺，我们可以设计通用运算放大器和高速运算放大器。典型的例子是LM324。

在标准硅工艺中采用JFET工艺的运算放大器主要是将标准硅工艺的集成模拟运算放大器的输入级改进为JFET，大大提高了运算放大器的开环输入阻抗，并顺便提高了通用运算放大器的转换速度。其他集成模拟运算放大器类似于标准硅工艺运算放大器。典型的开环输入阻抗约为1000m欧姆。典型的例子是TL084。

在标准硅工艺中采用MOS工艺的运算放大器分为三类：

（1）第一种是将标准硅工艺中集成模拟运算放大器的输入级改进为MOS

FET，与JFET相比，大大提高了运算放大器的开环输入阻抗，提高了通用运算放大器的转换速度。其他集成模拟运算放大器类似于标准硅工艺运算放大器。典型的开环输入阻抗约为
10 ^ 12 欧姆。典型的例子是CA3140。

（2）第二种是采用全MOS FET技术的模拟运算放大器，大大降低了功耗，但电源电压降低，功耗大大降低。其典型的开环输入阻抗约为 10 ^ 12欧姆。

（3）第三类是采用全MOS

FET技术的模拟数字混合运算放大器，主要用于利用斩波稳定技术提高直流信号的处理精度。输入失调电压可达0.01uV。温度漂移参数可达0。目前为 02

页/分钟。在处理直流信号时接近理想的运算放大器特性。其典型的开环输入阻抗约为 10 ^ 12 欧姆。典型的例子是ICL7650.1。

1.2 基于功能/性能的分类

根据功能/性能分类，模拟运算放大器一般可分为通用运算放大器、低功耗运算放大器、精密运算放大器、高输入阻抗运算放大器、高速运算放大器、宽带运算放大器和高压运算放大器。还有一些特殊的运算放大器，如可编程运算放大器、电流运算放大器、电压跟随器等。事实上，为了满足应用的需要，运算放大器有很多种。本文基于上述简单的分类法。

也就是说，随着技术的进步，分类门槛一直在变化。例如，之前的LM108最初被归类为精密运算放大器，现在只能归类为通用运算放大器。此外，还有低功耗和高输入阻抗的运算放大器，或者类似地，它也可能属于不止一类。

通用运算放大器是最便宜的运算放大器，具有最基本的功能。这种类型的放大器使用最广泛。

在通用运算放大器的基础上，大大降低了低功耗运算放大器的功耗。它可用于功耗有限的场所，例如手持设备（PDA）。它具有低静态功耗和低至接近电池电压的低工作电压。此外，它可以在低压级保持良好的电气性能。随着MOS技术的发展，低功耗放大器不再是单个现象。低功耗运算放大器的静态功耗一般小于1

MW。

精密运算放大器是一种集成运算放大器，具有非常低的漂移和噪声以及非常高的增益和共模抑制比，也称为低漂移运算放大器或低噪声运算放大器。这类运算放大器的温度漂移一般低于1uV/°C。由于技术进步，早期部分运算放大器的失调电压相对较高，可能高达1

mV;现在精密运算放大器的失调电压可以达到0.1 mV;采用斩波稳定技术的精密运算放大器的失调电压可达0.005

mV。精密运算放大器主要用于需要放大处理精度的领域，如自动仪表等。

高输入阻抗运算放大器通常是指以JFET或MOS管作为输入级的集成运算放大器。这包括带有全MOS管的集成运算放大器。高输入阻抗运算放大器的输入阻抗一般大于109欧姆。作为高输入阻抗运算放大器的一个侧面特征，转换速度相对较高。高输入阻抗运算放大器被广泛使用。例如，采样保持电路、积分器、对数放大器、仪表放大器、带通滤波器等。

高速运算放大器是一种具有高转换速度的运算放大器。通常，转换速度在100V /

us以上。高速运算放大器用于高速AD/DA转换器、高速滤波器、高速采样保持、锁相环、模拟乘法器、保密比较和视频电路。目前，最高转换速度可以达到6，000 V /

us。

宽带运算放大器是指具有-3dB带宽（BW）的集成运算放大器，其带宽比一般运算放大器宽得多。许多高速运算放大器具有宽带宽，也可以称为高速宽带运算放大器。这种分类是相对的。同一运算放大器在不同工作条件下的分类可能会有所不同。宽带运算放大器主要用于处理输入信号的带宽更宽的电路。

高压运算放大器旨在满足高输出电压或高输出功率的要求。它主要用于解决耐压、动态范围和功耗问题。高压运算放大器的电源电压可以高于±20

VDC。输出电压可以高于±20 VDC。

二、运算放大器的主要参数

集成运算放大器的参数很多，其中主要参数是直流参数和交流参数。

主要的直流参数包括输入失调电压、输入失调温度漂移（称为输入失调电压漂移）、输入偏置电流、输入失调电流、输入失调电流温度漂移（简称输入失调电流漂移）、差模开环直流电压增益、共模抑制比、电源电压抑制比、输出峰值点电压、

最大共模输入电压和最大差模输入电压。

主要交流参数包括开环带宽、单位增益带宽、转换速率SR、全功率带宽、内置时间、等效输入噪声电压、差模输入阻抗、共模输入阻抗和输出阻抗。

让我们以NE5532为例：

2.1 直流参数

以下是NE5532的直流电气特性：

输入失调电压 VIO

输入失调电压定义为集成运算放大器输出电压为零时两个输入端子之间的补偿电压。输入失调电压实际上反映了运算放大器的内部电路对称性。对称性越好，输入失调电压越小。输入失调电压对运算放大器非常重要，特别是对于精密放大器或直流放大器。因此，它是精密运算放大器的一个极其重要的参数。

输入失调电压温度漂移 αVIO （ 输入失调电压漂移）

输入失调电压温度漂移定义为给定温度范围内输入失调电压变化与温度变化之比。该参数实际上是对输入失调电压的补充。它可以轻松计算放大器在给定工作范围内由于温度变化引起的漂移。一般运算放大器的输入失调电压在±10~20μV/°C范围内。精密运算放大器的输入失调电压温度漂移小于±1μV/°C。

输入偏置电流 IIBS

输入偏置电流定义为运算放大器的输出直流电压为零时两个输入端子之间的平均偏置电流。输入偏置电流与制造工艺有关。双极性工艺（即上述标准硅工艺）的输入偏置电流在±10nA~1μA之间。以FET为输入级的放大器的输入偏置电流一般小于1nA。

输入失调电流IIO

输入失调电流定义为放大器的输出直流电压为零时两个输入端子之间的偏置电流差。输入失调电流也反映了放大器内部电路的对称性。对称性越好，输入失调电流越小。输入失调电流对运算放大器非常重要，特别是对于精密放大器或直流放大器。

输入失调电流温度漂移 αVIO （ 输入失调电流漂移）

输入失调电流温度漂移定义为给定温度范围内输入失调电流变化与温度变化之比。该参数实际上是对输入失调电流的补充。它可以轻松计算放大器在给定工作范围内由于温度变化引起的漂移。

最大共模输入电压

当放大器工作在线性区域且共模抑制比（CMR）明显变差时，最大共模输入电压定义为运算放大器的共模输入电压。共模输入电压一般定义为共模抑制比降低到6dB时的最大共模输入电压。最大共模输入电压限制输入信号中的最大共模输入电压。在发生干扰的情况下，在电路设计中应注意这个问题。

共模抑制比

共模抑制比定义为运算放大器处于线性区域时差模增益与共模增益之比。共模抑制比是一个非常重要的参数，它可以抑制差模输入。正常工作时的共模抑制比在 80 到

120 dB 之间。

输出的峰值点电压

输出的峰值点电压定义为运算放大器在线性区域和指定负载下工作时，由大电源电压供电时，运算放大器可以输出的最大电压幅度。

2.2 交流参数

以下是NE5532的交流电气特性：

开环带宽

开环带宽定义为当一个小幅度正弦信号输入到运算放大器输入时对应的信号频率，测得的开环电压增益从运算放大器的直流增益下降3db（或相当于运算放大器的直流0.707增益）。这用于非常小的信号处理。

统一增益带宽 GB

单位增益带宽定义为当小幅度正弦信号输入运算放大器输入时相应的信号频率，测得从运算放大器的输出闭环电压增益下降3db（或相当于运算放大器输入信号的0.707）。单位增益带宽是一个非常重要的指标。对于正弦小信号放大，单位增益带宽等于输入信号频率与该频率下最大增益的乘积。换句话说，当知道要处理的信号频率和信号时，可以计算单位增益带宽并选择合适的运算放大器。这适用于小信号处理中的运算放大器选择。

压摆率 SR

运算放大器的压摆率定义为在运算放大器连接到闭环的情况下，当大信号（包括阶跃信号）输入到运算放大器的输入端时，放大器输出端测得的放大器的输出速率是大信号处理的一个非常重要的指标。对于一般运算放大器，压摆率为SR

《= 10V/μs;对于高速运算放大器，压摆率为SR》

10V/μs。目前的高速运算放大器最大压摆率SR已达到6000V/μs。这用于大信号处理中的运算放大器选择。

全功率带宽 FPBW

全功率带宽定义为运算放大器以全功率工作的频率范围。该频率受运算放大器压摆率的限制。大约，全功率带宽 = SR/ 2πVop（Vop

是运算放大器的峰值输出幅度）。全功率带宽是大信号处理中运算放大器选择的一个非常重要的指标。

差模输入阻抗（输入阻抗）

差模输入阻抗（DMI）定义为运算放大器在线性区域工作时，两个输入端子之间的电压变化与相应输入电流的比值。差模输入阻抗包括输入电阻和输入电容。在低频时，它仅指输入电阻。一般产品仅提供输入电阻。采用双极晶体管作为输入级的运算放大器的输入电阻不超过10兆欧姆;场效应晶体管（FET）在输入级的输入电阻通常大于109欧姆。

输出阻抗

输出阻抗定义为将信号电压添加到线性区域中工作的运算放大器的输出时，该电压变化与相应电流变化的比率。。在低频时，它仅指运算放大器的输出电阻。