运放

作者：Bruce Trump 资深模拟工程师

运放的压摆动作经常被误解。压摆率是一个内容较多的话题，我们需要将它进行分类讨论。

运放输入级电路的两个输入端之间的电压通常非常小------理想情况下为零，对吗？但是，输入信号突然地改变会短暂打破反馈回路的平衡，在运放的输入端产生一个误差差分电压。这将会导致运放的输出产生变化来校正输入端的误差电压。误差电压越大，输出端电压变化得越快，直到输入端的差分电压足够大从而使得运放产生压摆。

如果输入足够大的信号，意味着加速器已经踩到了底，输出信号不可能变化得更快了。更大的输入并不会使输出变化得更快。图1用一个简单的运放电路解释了这个原因。闭环回路上有一个恒定的电压，使得运放输入端之间的电压为零。输入级的两个输入端之间是平衡的并且电流IS1相同地分配到三极管的两个输入端。对于该电路，当输入信号Vin是大于350mV的阶跃信号时，电流IS1只流向输入差分对管的一个三极管，该电流对米勒补偿电容C1充电或者放电。输出压摆率SR是IS1对C1充电的比例，等于IS1/C1。

作者：Howard Zou

运算放大器是指一类专门通过改变外围器件可以实现不同算数运算的放大器。任何一颗运放都集成了非常多的晶体管，这些晶体管除了构成基本的工作电路，同时也会有实现输入输出电压钳位等保护功能。但是因为生产工艺的原因，在制造这些保证运放正常工作的晶体管的过程中，不可避免地会引入寄生晶体管和二极管。当运算放大器工作在规格书指定的工作范围内时，这些寄生晶体管不会对芯片的工作造成影响。然而，如果运放工作在超规格书的范围时，可能使得芯片的输出异常，进入输出钳位状态，从而影响电路的正常工作。本文以LM358为例，介绍其进入输出钳位状态的机理，同时提出避免芯片被钳位的解决办法。

一、运算放大器进入钳位状态的原理（以LM358为例）

虽然各家厂商推出的运算放大器性能与规格互有差异，但是一般而言标准的运算放大器都包含下列三个部分。

1、差动输入级：以一差分放大器作为输入级，提供高输入阻抗以及低噪声放大的功能。

这几种电路都可以在负载电阻RL上获得恒流输出。

第一种由于RL浮地，一般很少用。

第二种RL是虚地，也很少使用。

第三种虽然RL浮地，但是RL一端接正电源端，比较常用。

第四种是正反馈平衡式，是由于负载RL接地而受到人们的喜爱。

第五种和第四种原理相同，只是扩大了电流的输出能力。人们在使用中常常把电阻R2取的比负载RL大的多而省略了跟随器运放。这种电路也是对地负载。

后边两种是恒流源电路。

对比几种V/I电路，凡是没有三极管之类的单向器件，都可以实现交流恒流。加了三极管之后就只能做单向直流恒流了。

正所谓“术业有专攻”，在模拟器件中，运放的使用占据很大比例。在运放器件的使用上，需要对项目做好评估，选择合适类型的运放。就整体而言，运放大体分为以下7类，让我们一起学习一下吧！

1、通用型运算放大器

通用型运算放大器就是以通用为目的而设计的。这类器件的主要特点是价格低廉、产品量大、涵盖面广，其性能指标能适合于一般性使用。例如LM358（双运放）、LM324（四运放）及以场效应管为输入级的LF356都属于此种。它们是目前应用最为广泛的集成运算放大器。

2、高阻型运算放大器

这类集成运算放大器的特点是差模输入阻抗非常高，输入偏置电流非常小，一般Rid＞1GΩ~1TΩ，一般为几皮安到几十皮安。实现这些指标的主要措施是利用场效应管高输入阻抗的特点，用场效应管组成运算放大器的差分输入级。用FET作输入级，不仅输入阻抗高，输入偏置电流低，而且具有高速、宽带和低噪声等优点，但输入失调电压较大。常见的集成器件有LF355、LF347（四运放）及输入阻抗更高的CA3130、CA3140等。

3、低温漂型运算放大器

在运放的使用过程中，会遇到这样的情况：

例如一个运放芯片集成了两个独立的运算放大器，在用作电压跟随器的时候，我们只用到了一个运放，另外一个运放可能就不管了。

针对未使用的运放，我们应该如何处理才更合适呢？本文列举出了6种不同的端接方法，并针对这几种端接方式，提出了他们的看法，让我们一起来看看吧！

这些方法如下图所示：

针对各种方法分析如下：

一般运放的datasheet中会列出众多的运放参数，有些易于理解，我们常关注，有些可能会被忽略了。在下文中，将对每一个参数进行详细的说明和分析。力求在原理和对应用的影响上把运放参数阐述清楚。由于本人的水平有限，写的博文中难免有些疏漏，希望大家批评指正。

第一节要说明的是运放的输入偏置电流Ib和输入失调电流Ios .众说周知，理想运放是没有输入偏置电流Ib和输入失调电流Ios .的。但每一颗实际运放都会有输入偏置电流Ib和输入失调电流Ios .我们可以用下图中的模型来说明它们的定义。

目前市场运放种类繁多，面对不同的使用条件和环境，是否都能选择一样的运放呢？没关系，这是很多电子工程师都会困惑的问题，接下来为你揭开运放选型的神秘面纱。

一、该如何分析运放电路呢？

在学习运放选型前，我们需要先来透测的学习运放电路的内部结构和原理，对于我们来说运算放大器是模拟电路中十分重要的元件，它能组成放大、加法、减法、转换等各种电路，我们可以运用运放的“虚短”和“虚断”来分析电路，然后应用欧姆定律等电流电压关系，即可得输入输出的放大关系等。

由于运放的电压放大倍数很大，一般通用型运算放大器的开环电压放大倍数都在80 dB以上。而运放的输出电压是有限的，一般在 10 V～14 V。因此运放的差模输入电压不足1 mV，两输入端近似等电位，相当于“短路”。开环电压放大倍数越大，两输入端的电位越接近相等。“虚短”是指在分析运算放大器处于线性状态时，可把两输入端视为等电位，这一特性称为虚假短路，简称虚短。显然不能将两输入端真正短路。

运放的输入偏置电流: 为了使运放输入级放大器工作在线性区, 所必须输入的一个直流电流, 在双极晶体管输入的运放, 偏置电流就是输入管的基极电流, 在 MOS 管输入的运放是指栅极漏电流。

输入失调电流: 与输入失调电压一样, 都是描述运放差分输入的对称性的. 理想的差分输入应该是完全对称的, 但由于设计和工艺过程的偏差, 正负两个输入端的特性不会完全相同. 这两个失调参数的定义是,当输出为 0 时两个输入端的输入电压差 (失调电压) 和输入电流-即偏置电流的差 (失调电流), 显然在理想状态下它们都应该为 0.

输入失调电流= |IB1-IB2| 输入偏置电流=1/2（IB1+IB2） IB1、IB2为输入级差放管的输入偏置电流

2：输入偏置电流（bias）

印制电路板（PCB）布线在高速电路中具有关键的作用，但它往往是电路设计过程的最后几个步骤之一。高速PCB布线有很多方面的问题，关于这个题目已有人撰写了大量的文献。本文主要从实践的角度来探讨高速电路的布线问题。主要目的在于帮助新用户当设计高速电路PCB布线时对需要考虑的多种不同问题引起注意。另一个目的是为已经有一段时间没接触PCB布线的客户提供一种复习资料。由于版面有限，本文不可能详细地论述所有的问题，但是我们将讨论对提高电路性能、缩短设计时间、节省修改时间具有最大成效的关键部分。

虽然这里主要针对与高速运算放大器有关的电路，但是这里所讨论的问题和方法对用于大多数其它高速模拟电路的布线是普遍适用的。当运算放大器工作在很高的射频（RF）频段时，电路的性能很大程度上取决于PCB布线。“图纸”上看起来很好的高性能电路设计，如果由于布线时粗心马虎受到影响，最后只能得到普通的性能。在整个布线过程中预先考虑并注意重要的细节会有助于确保预期的电路性能。

原理图