運算放大器的輸入級

問：那么差別在什么地方？
答：在這個基本設(shè)計上存在很多可能的變化，最基本的一點就是輸入級的結(jié)構(gòu)，這一級幾乎總是一個差動放大器，也就是說，像下圖中那樣連接的一對放大器件。但是器件的選擇對運算放大器的輸入?yún)?shù)有著深遠的影響。單片運算放大器具有用雙極或場效應(yīng)晶體管組合成的輸入級。
用雙極晶體管組合成的差動放大器如下圖所示。其顯著特點是它的低噪聲，以及通過適當(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較大（在通用運算放大器中為50～1000nA，在高速運算放大器中高達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，對于那些偏置電流絕對值很大的情形，可以利用精確地匹配來補償。下面表示的是一個基極補償電路，其中同相輸入端中的偏置電流流入RC（稱為偏置補償電阻）；它補償由于反相輸入端的偏置電流流過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。

這種偏置補償只有當(dāng)偏置電流匹配得很好時才是有用的，如果它們匹配得不好，偏置補償電阻實際上可能會引入誤差。
如果要求雙極輸入級沒有這樣一種大偏置電流的缺陷，可以靠芯片設(shè)計者采用不同的偏置補償方式來實現(xiàn)（下圖）。利用同樣的差動放大器，但是每個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?/P>

這樣的結(jié)構(gòu)存在兩個缺點：增加了電流噪聲，并且外部偏置電流不能很好地匹配（的確，實際上它們可能以相反的方向流動，或者隨著芯片溫度的變化而改變極性）。對于很多應(yīng)用來說，這些特性是沒有缺點的。確實，一種最流行的低失調(diào)運算放大器，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)這種型號的偏置補償放大器的數(shù)據(jù)表明確地給出雙極性偏置電流，比如為±4.0nA時，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，通常要用場效應(yīng)器件代替雙極晶體管。過去，MOSFET管用于運算放大器的輸入級多少有點噪聲干擾，不過現(xiàn)代工藝技術(shù)正在克服這個缺點。由于MOSFET也往往會引起比較高的失調(diào)電壓，所以對于高性能的低偏置電流運算放大器應(yīng)采用結(jié)型FET（JFET）管。典型的JFET運算放大器的輸入級如下圖所示。

JFET的偏置電流與流入器件的電流沒有關(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（每三微秒一個電子）的可保證的偏置電流。

“在室溫下”這個限定條件是很關(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℃增長一倍。因此，JFET運算放大器的偏置電流對溫度是不穩(wěn)定的。的確，在25℃和125℃之間，JFET運算放大器的偏置電流增長超過1000倍，由于大多數(shù)MOSFET放大器的偏置電流是它們柵極保護二極管的漏流，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行修正，但是最小失調(diào)未必與最小漂移相對應(yīng)。在JFET運算放大器中，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利的修正的方法，用這種方法預(yù)期在下一代JFET運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)可以優(yōu)化不同的特性。下表把三種最普通的運放結(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。

運算放大器輸入級的特性

簡單的雙極型 偏置補償雙極型 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：使用者還應(yīng)了解哪些其它特性？
答：JFET運算放大器遇到的一個共同問題是相位反轉(zhuǎn)。如果JFET運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)反饋變成正反饋而電路可能閉鎖。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)在沒有發(fā)生閉鎖電路中的影響?？梢酝ㄟ^采用雙極放大器或者用某種方法限制信號的共模范圍等手段來避免這類問題。

閉鎖更嚴(yán)重的形式可能出現(xiàn)在既有雙極型又有JFET的運算放大器中，只要輸入信號變得比相應(yīng)運放電源更正或更負(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，這通常會使偏置截止。可能會依次打開由運算放大器中的某些擴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，重要的是使運算放大器的輸入端不要經(jīng)常超過電源電壓。在器件開通期間，這一點可能具有重要的意義：如果在給運算放大器供電以前，就把信號加到運放上，那么當(dāng)加上電源時，運放可能馬上損壞。所以，或者任一端的信號超過電源上的電壓，或是在運放的電源加上之前信號就已存在，每當(dāng)存在這種危險時，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）對危險的那端加以箝位，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大（見圖）。

這種保護電路可能引起它固有的問題，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)計這種保護電路時，所有這些影響必須考慮。