当代运放（OP）的六大系列
作者：贵体翔 出处：《实用电子文摘》 日期：2004-8-25
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自从30年前美国FSC公司生产出世界第一只运算放大器（下文简称运放或OP）µA702以来，运放在模拟电子世界有着极其广泛的运用，对信号进行放大、比较、调制、解调、有源滤波和多种模拟运算等等。世界上各大生产家的新产品品种与日俱增，按其应用可分为六大系列。
一、OP的主要参数
了解、认识、掌握OP“家族”成员，恰当选用它们，无疑对电子产品开发、电子设备的技术改造，电子电路的工程设计，电子产品的维护保养都是大有助益的。
弄清OP的电气特性，并能正确测试诸多参数是准确选择OP、正确使用OP的前提。下面扼要介绍OP的重要电气参数的概念和测试电路（图1）。
图1中的电气特性是以NJMOP07样品在电源电压±15V，环境温度25ºC时测得的。
(1)输人失调（或偏移）电压VIO是指：无信号时±输入端间的电压；
(2)输入失调（或偏移）电流IIO是OP输出为0V时正负输入端流入（或流出）的电流之差（亦即偏流之差）；
(3)输入偏流IB：是±输入端子流入（或流出）的电流；
(4)开路输出电阻Ro：是OP输出电路晶体管等效集电极电阻；
(5)输入差模电阻RID：是表示输人端子内的等效电阻，通常是对交流而言；
(6)输入共模电阻RIC：是对电压跟随使用时（共模输入）输入端的等效电阻；
(7)同相输人电压VICM：是不损坏OP工作机能的同相输人电压的最大值，正负两个方向定义；
(8)共模信号抑制比CMRR：在两差动输入端加人同相信号，产生的输出信号与输入信号之比。这个比值说明电路不平衡的状况；
(9)电源电压抑制比PSRR：表示电源电压在单位电压变化时输入失调电压的变化量；
(10)电压增增益VV：OP在开环时直流电压的放大倍数；
(11)最大输出电压VOM：在不饱和的状态范围内与输人成比例变化的最大输出电压；
(12)转换速度SR：是指输出电压波形跟随输入电压变化程度—即输出电压上升的速度（通常用脉冲前沿响应来描述）；
(13)fT：开环增益等于1时的信号频率；
(14)消耗电流ICC：流过OP电源端的电流；
(15)输入换算噪声电流INI：规定1／f噪声在0.1～10Hz 频率范围的峰－峰值；
(16)输入换算噪声电压Vn：是用一定频率的噪声电压密度表示的。
以上这些电气参数可参照图l相应的电路及公式进行测量，这些参量是正确选用OP的指南。
二、OP的运用选择程序图
在电路设计中究竟如何选用OP呢？要回答这个问题不是三言两语能讲清的，但可根据电路的功能指标、接口特性、电气性能的具体耍求等去恰当选择相应的OP。比如通常对OP的要求有：
①失调电压；②输入偏流；③输入噪声密度；④速率；⑤电源电流……
使用时可按图2的程序进行权衡挑选。
比如在设计mV放大器时，如果要求：
①最大失调电压在2mv以下，
②输入偏流在10µA以下；
③不考虑电源电流；
就可在图2中选择高精度OPAD707或0P177。
但如果用电池工作，要求电源电流在100µA以下，就应该选择耗电小的OP，如OP22、OP90、MAX478／480、LT1077等。
又如：①失调电压在2mA以下；②输入偏流在10µA以上也可以；③GB在1MHz以下等条件，就可选用价廉的运放741。
三、当代运放的六支劲旅
时下发展最快的OP，是最具有特色的六大类OP。
①通用OP；
②高精度OP；
③低噪声OP；
④微偏流OP；
⑤高速OP；
⑥低功耗OP。
（一）通用OP系列
顾名思义，通用OP是指没有特殊要求（如低噪、微偏流等），在普通电路中广泛使用的性价比较好的运算放大器。
通用OP初期典型产品是µA709、µA741（已兴旺25年了）和LM30lA等。其中µA741是内部有相位补偿电路的先驱产品。至今电子工作者都非常喜用它，可称是初期OP设计最为成功的优秀产品。但是741的输入级为双极晶体管，所以偏流大，这是它的缺点。为了克服这些缺点，LF356和TL071等采用了FET作输入级。但FET作输入级的偏压大，这又成了改进品的缺点。进一步的改进是LF1411和AP7ll等内有均衡的偏压小的OP。其它新产品，内部也已广泛使用这种均衡技术。
开始741在音响中使用，它的AC特性和噪声特性较好，后来性能更好的RC4558和NE5532登场了，进一步改良后的产品是LM833，它基本上能适应一般音响对AC和噪声特性以及转换速率方面的要求。741是正负电源供电，为了设计使用的方便，有必要使用单电源供电，顺应这一要求的就是单电源的LM3580P等。表1a是传统的通用OP的典型例子。
最新的通用OP品类很多，最有代表性的产品如表1b。新的通用OP的DC特性和AC特性两相兼顾。如表中MC33077的GB为37MHz，转换速率为11V／µS，失调电压为0.13（1Max）mV，漂移2µV／℃，DC特性也非常良好。
NJM4580与过去的LM833在AC特性方面大体相同，但DC特性在若干方面有显著的改善。OP275用于音响能得到平坦的频率特性。OPA604也用于音响，是JFET输人型，转换速度高达25V／µs，GB＝20MHz。通常的CMOS OP的直流特性差，存在镜频问题，而新品TLC271和LMC662一洗镜频差的恶名，比其它优质OP毫不逊色。
（二）高精度OP系列
精密电子仪器仪表常常需要输入电压非常小，漂移很小的高精度OP。
高精度OP最重要的参数是失调电压和漂移等DC参数，这个值越小精度越高，其价值也越大。而频率特性就相对不那么重要了，通频带限制在DC～10Hz的范围。
过去的高精度OP的典型产品是OP07等，如表1C。产品内偏置电路采用齐纳二极管补偿平衡的偏置调整技术，这在当时是具有卓越的DC特性的产品。使用中，假设mV放大器设计要求增益大，那么当开环增益太小时就容易产生非线性失真。
表1d是最新高精度OP。这些新产品有双极晶体管输入型、CMOS削波输入型和JFET输入型三种。
双极输入型有良好的DC特性，例如AD7075J、失调电压为30（90max）µV，漂移为0.3（lmax）µV／℃，0.1～10Hz噪声为0.23（0.6max）µVPP。这个品类的高档产品AD707K的失调电压为10（25max）µV，漂移为0.1（0.3max）／℃，输入偏流0.5（1.5max）µA。另一个高档产品AD707C的参数更吸引人。它的失调电压为5（15max）µV，漂移0.03（0.1max）µV／℃，输入偏流0.5（1max）µV，AD707由于开环增益高达142（130min）dB，非线性误差问题可以不考虑。输入偏流大是双极输入型OP的缺点。
mV放大器宜选用失调电压小的高精度OP，输入偏流的误差越小越好。图3在OP的输入端接入热电偶Q1及R1C1，构成的低通滤波器，不仅可以减小失调电压，而且还可减小外噪。由于R1提供OP的偏流IB的通路，加上热电偶的补偿作用，在使用AD707之时，R1＝10kΩ时，这个失调电压可以做到10µV左右。这种用外电路补偿以降低失调的技术，当R1选得大，配接的输人传感器自身阻抗也大时，就应选择输入偏流更小的OPLT1O12、AD705、0P97等。
AD705J的输入偏流为0.06（0. l5max）µA。当R1＝100kΩ时，其失调电压也仅为6µV；这种精度令人叹服。
削波输人型运放本身具有偏移电压补偿滤波器，对失调电压能自动补偿，所以偏移和热漂移都很小。例如TLC2654C的失调电压5（20max）uV，热漂0.004（0.3max）µv／℃，这样优异的指标着实令人满意。但这类产品的主要缺点是低频噪声大。如TLC2654C，0.1～10Hz的噪声为1.5µVPP，其值超过AD707五倍多。噪声大不仅只因削波型造成，MOSFET输入也是其中一个重要原因。MOSFET的l／f噪声如图4。
图5是削波型OP的噪声特性，图6是实测的噪声特性，不难比较在这几块OP中，AD707的噪声特性是最优的。图5中粗黑线起伏平缓是AD707J的特性曲线；大起大落是TLC2654C的特性曲线。
低频噪声（常指0.1～10Hz）频带与DC很接近，因此要区别失调和热漂是困难的。这类产品的最新“成员”LTC1152的低频噪声为0.75（1max）µVP-P，这个值就比较小。
JFET输入型OP也不乏新产品。AD795就是比较典型的代表，由于JFET作输入级，因此输入偏流非常小（1pA）。
在OP中，当然还应注意来自电源干线和宇宙中射线等外界噪声，选择高灵敏度OP尤其应该注意。
（三）低频噪OP系列
在高精度OP中，也谈到“低频噪声特性”的重要性。
那里是指在DC附近（0.1～10Hz）频带内噪声低的重要性。这里所讲的低噪OP，是宽带范围内噪声都很小的一类OP。
过去市面上广泛运用的低噪OP的代表产品为表le的OP27／37，其输入噪声电压密度为3.2nV／√Hz，这在当时曾引起轰动。而新产品达到1nV／√Hz（表1f），已不足为奇了。最新低噪OP从音响专用品到100MHz高频的品质都有显著的提高。
音响用的LT1028，其噪声密度近于1nV／√Hz（图7）、图8给出这类典型产品的实测噪声特性。从图中可一目了然地看出在很宽的频带里都具有良好的特性。但LT1028在高频时噪声特性显著变坏。而在音频带内，其性能实属上乘。因此从这个意义上讲，人们管它叫为音频OP。
频带到10MHz其低噪特性都属优异的产品是AD797A，GB＝110MHz。AD829噪声密度为2nV／√Hz，GB值高达750MHz，但使用时外围必须加相位补偿电路。
100MHz还合乎噪声特性要求的产品是CL425。它的主要缺点是低频端噪声大，10kHz左右是拐点频率。在视频领域，CL425是理想的首选品。
这类品种中，JFET输入型的产品不少。典型代表为AD745，其噪声特性如图9所示。10kHz附近为2.9nV／√Hz。与双极型相比，略嫌大了点．但在JFET同类产品中又属十分小的了。
MOS管输入的噪声特性在低频时很差，在使用中务必留意！
（四）微偏流OP系列
随着电子电路进一步微型化，以及与特种传感器配接，要求输入偏流进一步减小，尽管过去通用OP输入偏流已小开nA或pA的程度，但还是满足不了要求。微电流OP的最新产品是偏流为fA级的新品。
微小电流OP的传统产品如表1g中µPC252A和ICH8500A，这两款都是MOSFET管做输入级。输入偏流小，不容申辩失调电压和漂移电压也应相应的小才能满足要求，这已是众所周知的事实；偏流会随温度升高而增大，温度每上升10℃，电流大概将翻倍。
最新微小电流OP的新品如图10中的OPA128。这个产品是属于JFET输入类，它是“介质分离工艺”生产输入JFET管减小偏流的杰作。失调电压和漂移等DC特性都大有改善。
价廉的OPA128J输入偏流为150（300max）fA。一般的JFET场效应管，输入PN结形成二极管，这个二极管的泄漏电流ISUB。使输入偏流增大，而OPA128采用了介质绝缘的工艺技术，输人结已不形成二极管，所以输入偏流大大减小了。
OPA128输入级采用共源共栅三极管对作输入。这个电路克服了源栅电压VDG增大偏流变大的不良影响。这个微小电流与同相电压的依存关系如图11。
AD549也和OPA128一样采用了上述的工艺措施，因此其特性十分相近。
用改变封装实现fA级微小电流OP为LMC6001。它的工作电压为15.5V。但从目前低电压工作呈明显上升趋势来讲，这当然是一个缺点。
过去微偏流OP大都采用金属罩封，LMC6001采用塑封，实现了微偏流。而且价格低廉。A档产品为25fAmax，B档为100fAmax，C档为1000fAmax。
图12是LMC6001的温度特性，输人偏流与温度密切相关，使用时务必留意。图13是与同相电压的依赖关系。在0V时是最佳点。在正端成线性上升，使用时请一定留意。但当源地栅地输人时LMC6001就没有这一间题了。
（五）高速OP系列
通用OP和高精度OP是用在信号频率比较低的场合，属电压负反馈型。高速OP运用在高频宽带电子设备中。高速OP改用电流负反馈模式，与电压负反馈相比具有不少优越性，尤其在高频宽带和高转换速度方面更胜一筹。
过去的高速OP如表1i中HA2525，它与其它通用OP不同，在OP外部安排了相位补偿电路，设置合适的增益，正确设计相位补偿网络，使频响宽带化。对初学者来说，设计合格的相位补偿当然不是一件容易的事。
LM318在内部使用了前馈技术，将低速的PNP管成功地实现了高速化，但前馈技术的缺点是脉冲响应要产生过份的上冲。
最新高速OP不只是在电路技术上下功夫，而是开发高速化的制造工艺技术。一些厂家采用了多种新工艺，如CB（互补对）、DI（电介质隔离）、VIP（垂直集成PNP）等来实现高速。由于这些工艺上的进步，将截止频率fT只有100MHz的PNP管，改造成能达数百兆的晶体管了。
电流反馈型高速OP是典型的新精品OP，典型代表产品如表1J。低耗电（5mA）频带宽880MHz的AD8001A就是采用XFCB（特高速互补对双极晶体管）工艺制造而成。转换速度高达1200V/µs，0.1％的建立时间为10ns的理想品。
（六）低功耗OP系列
低功耗电子电路是发展的大趋势，对OP的要求也不例外。研究开发提供微小电流也能工作的OP已有很长历史。
以往开发的微功耗OP的典型代表产品如表1k中的LM4250和µPC253。这种产品与前述产品不同，电源电流在1µA以下也能工作。当然价格比通用品昂。
LM4250和uPC253如图14，它的电源电流由RSET设定。图l4（a）是LM4250初级供电电路。设定电流ISET＝V＋－V－＝0.5V）／RSET。当电源Vs＝±15V时，TSET＝1uA。而总电流IQ为TSET的5倍左右。TSET大，频率特性好些。
值得一提的是：通用OP输入偏流通常是一定值。而LM4250 如图15那样，ISET与输人偏流的大小成比例。相位富裕通用品为45°～60°，LM4250如图16，它的这项参数也随ISET变化而变化。
象这种在1µA电源电流下也能工作的OP，过去、现在乃至将来都会在电子界贵为珍品。
最新低功耗OP有两类产品。一类是CMOS集成，另一类是双极型输入。LM4250由CMOS组成。CMOS的缺点是DC特性差，双极型输入的低功耗OP近来十分抢手。表1L的产品就是这类产品的新品种。
具有多档切换电流功能的OP如ICL7612、ICL7611是电源电流可程控的OP。图17是ICL7612电流可控的示意图。改变电阻可改变电流。第8脚是电源电流专门设定的控制脚。这个脚接电源正为10µA，接地时为100µA，接电源负为1mA。三档可变设置，使用起来方便灵活。
TLC271的直流和交流特性都得到改善。TLC271是TLC27X系列中的一种。它是CMOS集成。电源电流也分三档（10µA、100µA、1mA），类拟ICL7612。从表中不难看出：输人失调电压和漂移等多项DC特性与ICL7612相比有了改善。GB和SR都有很大提高。但设计时的相位富裕留得小，使用时容易产生自激。电源电流在10µA相位富裕在30°以下，测试中使用示波器的探头时就有自激的危险。
LMC662输人的偏流也很小，电源电流为400µA，表中LPC662只有86µA，要小四分之一。这是固定电流型产品。它的偏流只有40pA，是CMOS OP中的佼佼者。而LPC6621的使用温度范围为－40～＋80℃，也比LMC662（20～80℃）好。
LT1077、MAX478、MAX480的特性属高精度低功耗双极型输人OP，它们的直流特性有很大改善。LP324是单电压供电，电源电流为85µA。使用时不要与普通324混为一谈。
运算放大器的六大系列当然不是互不相关的，彼此之间的联系密不可分，这种分类只是从“特长”处而言，有的可以涉足几类．如表1m就是低功耗高速OP。
四、典型OP的封装引脚
OP的生产厂家不同，封装也不一样，为了读者使用方便，将主要新品OP的封装引脚收集在图18中。
