运算放大器选型与参考指南

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前言

运算放大器可以说是模拟电路的基础，初次听到运算放大器这个词，是在模拟电子线路这本书上。然而，书上对于运算放大器的描述仅仅为理想情况，在实际的运用中往往会发现对于电路仿真和计算的结果与实际的测试结果大相径庭，这极有可能是错误的运放选型导致的。目前市面上的运算放大器芯片既多又杂，电气性能和特点各有千秋，价格也是千差万别。我写的这篇博客希望通过自己的一点点模拟电路设计经验和教训，为大家特别是初学的小伙伴们提供一些关于运放选型的帮助，在性能和成本上找到一个最佳的平衡点，完成合理且优雅的模拟电路设计。
由于本人现在大三，入行不久，本文可能存在的错误还请各位大佬指正。

注意

作为全球最大的半导体生产商，TI(德州仪器)有着相当完备的集成运放产品线，故本文主要以TI的集成运放产品型号为选型依据。

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一、理想与现实的区别

教科书上告诉我们，理想运放应该具有如下的电气特性

1.对于输入端

• 无穷大的输入阻抗，无穷小的输入电容。这样运放不会受信号源阻抗的影响，最起码的特点就是信号源的电压会被运放完全吸收
• 无限接近甚至等同于电源轨的输入电压范围
• 无穷大的差分增益和无穷大的共模电压抑制比
• 无穷大的信号带宽
• 无穷小的失调电压，偏置电流和失调电流

2.对于输出端

• 无穷小的输出阻抗，这样电压可以完全传递到负载电路，并不会和容性负载形成多余的极点。
• 无限接近甚至超过电源轨的输出电压范围。
• 无穷小的信号失真

然而，正所谓理想很丰满，现实很骨感，实际的运放往往不满足理想运放的电气特性，在实际生产的过程中，我们发现运放的某些参数存在着矛盾的现象，例如我们为了减小偏置电流带来的误差，可以采取减小输入电阻的方法，然而这就会导致其增加功率耗散，输入阻抗减小的问题，所以实际的运放芯片往往有着各自的长处和缺点。
需要注意的是，一般情况下，在分析估算运放的应用电路时，将实际运放视为理想运放所造成的误差，在工程上是允许的。利用理想运放的概念，能大大简化分析过程。

二、运算放大器芯片的指标

1.运放电路的增益指标

运放的增益指标主要包括开环增益、闭环增益和环路增益（图中E是误差电压，A是开环增益），他反应了该运放电路的稳定性和准确性，通过识别运放厂家提供的波特图，我们可以了解到适合该运放工作的频段(如图所示的主极点附近)

2.运放的直流指标

运放的直流指标主要包括：

• 输入偏置电流 Ib 、输入失调电流（Input Offset Current）及其温度漂移：
  实际的运算放大器在他们的输入管脚都会吸收或流出少量电流，这是由运算放大器的输入级结构所决定的，我们定义运算放大器两输入端流进或流出直流电流的平均值为输入偏置电流 Ib，即 Ib＝(I±I-)/2。
  同时，温度的变化会引起输出电流产生漂移，通常把温度升高 1°输出漂移折合到输入端的等效漂移电流，输入失调电流温漂：一般为几个 pA。

• 输入失调电压 Vos（Input Offset Voltage）及其温度漂移：
  对于理想运算放大器，短接其 V+和 V－，我们可以得到 V0=Acl(V±V-)。然而，由于 V+ 和 V－的输入级间存在固有的失配，通常实际中的运算放大器在这样的条件下难以做到 Vo＝ 0，而为了使 Vo＝0 而必须在 V+和 V－间加入的矫正电压 Vos 即被称为运算放大器的输入失调电压

• 输入开环阻抗和输入闭环阻抗
  在低频情况下集成运放的开环输入阻抗 Zi 为纯电阻 Ri，Ri 一般在兆欧或吉欧数量级。

• 共模输入电压范围
  通常在运放的输入端存在一个共模电压。这个共模电压太高或者太低，运放的输入端就会关闭或者停止工作。共模输入电压范围 VICR 给出了运放可以正常工作的共模电压范围。

• 差分输入电压范围
  

差分输入电压范围一般在数据手册中被作为一个绝对最大值。如图所示Vin_dif。
如果差分输入电压比输入晶体管 Q1 的基级-发射极反向导通电压与 Q2 的基级-发射极正向导通电压之和还大，则 Q1 的 BE 节点事实上就像一个齐纳管。这是一种破坏性的工作模式，其结果是破坏 Q1 的电流增益。同理，如果 VIN_DIFF 反向，除非 Q2 击穿。
对于输入电压范围来说，有一个重要的概念是轨到轨（Rail to Rail）指器件的输入输出电压范围可以达到电源电压。但是不是所有的rail to rail 运放输入和输出都接近电源，有的只是输入有的只是输出，当然也有的输入输出都是rail to rail 的，该类运放的最大特点就是可以扩展信号的电压范围，但一般输出电流较小，在大电流的情况下并不能保证rail to rail，所以现在分析的这款运放是轨到轨输出，输入并没有轨到轨

3.运放的直流参数指标

• 输出开环阻抗和输出闭环阻抗

• 最大输出电压摆幅
  最大输出电压 VOM±被定义为“输出端输出波形没有限幅且输出静态直流分量为零的状态下输出电压正的或者负的最大峰值”。VOM±受放大器的输出阻抗、输出端晶体管的饱和电压和电源电压的限制

4.运放的交流指标

• 增益带宽积（GBP）
  当运放的输入信号为小信号时（Vpp 在 1V 以下的信号），运放的增益带宽积这个指标十分重要，因为它反映了当运算放大器在小信号环境下应用时，电压反馈运算放大器的带宽和增益的乘积为一个固定的值。注意对电流反馈的运算放大器来说，是不存在增益带宽积这个概念的。
  

• 压摆率（Slew Rate）
  与上文中所说工作在小信号时需要考虑的增益带宽积相对的，压摆率是表征运算放大器全功率带宽的一个指标，它说明了当运算放大器在大信号输入输出时的带宽指标。它描述了运算放大器的最大输出电压摆幅与频率的关系，表达式为：
  
  其中，SR 为压摆率（数据手册上可查得）； fmax 为最大输出频率（Hz）；Vpp 为输入频率为 fmax时的最大输出电压摆幅。
  
  如上图，是 OPA300（轨到轨输出，单电源供电，增益带宽积为 150MHz，压摆率为80V/us）的最大输出电压摆幅与频率关系。例如，当电源供电为 5V 单电源时，从图中看到当输出信号幅度为 4.8V 时，可用带宽只能到 2.6MHz 附近,可见， 由于压摆率的限制，导致了在大信号条件下带宽不足的现象。因此，当我们把运放使用在大信号环境下时，必须要考虑运放的压摆率指标。

• 建立时间（Setting Time）
  建立时间，或上升时间，也是显示运放高速特性的重要参数，它是指当运放输入一个小信号的阶跃信号时，输出达到指定误差范围内为止的时间。通常误差都指定为到 0.1％或0.01％。
  
  

上图为建立时间的一个理论示意图。举个例子，当运放用作 ADC 的前级缓冲时，如果运算放大器的建立时间超过了 ADC 的采样时间，显然 ADC 采到的很难是我们所期望得到的值。例如对于 12 位的 ADC 来说，如果目标是一个 0－ 1V 的方波信号，为了达到12 位的精度，当采集高电平时，会要求运算放大器在 ADC 的采样时间内稳定到 1V 正负1LSB 的范围内，在这里也就是 1V 正负1/212V。可见， ADC 的速度越高，对运算放大器建立时间的要求也就越高。另一个例子是当运算放大器不稳定时，输入阶跃或方波时在输出的上升沿会观察到大量的振铃和过冲，这会大大增加运放的建立时间，甚至导致电路不能正常工作。

• 总谐波失真加噪声（Total Harmonic Distortion Plus Noise 或 THD+N）
  不知道大家是否做过2021年全国大学生电子设计竞赛A题“信号失真度测试仪”，总谐波失真加噪声，THD+D，比较的是运放的输出波形和输入波形，我们通常用纯净的正弦波来测量这个指标。当给一个理想运放输入一个纯净的正弦波，输出也是一个纯净的正弦波，不会存在高次谐波。但由于现实运放的非线性特征和噪声，输出不再会是一个纯净的正弦波，而出现一些高次谐波。
  
  上图为现实中运放输出信号的频谱图，当输入频率为 f 的纯净正弦信号，输出除了一个在 f 处的基频信号外，在整数倍 f 的地方还存在一些高次谐波，在整个频谱还存在噪声基底。用公式表达 THD+N 为：
  
  值得说明的是，THD+N 是以一个百分比的形式出现的，如上图里的基频信号占据了整个频谱 99％的能量，所以 THD+N 为 1％。影响 THD+N 的因素除了运放本身的设计外，输出信号的幅度和压摆率也是很关键的，这很好理解，当输出信号的幅度超过运放的承受范围后，输出或被削顶和截底，这样就趋近于方波，而方波的频谱特点就是存在大量高次谐波；同样的，当压摆率不满足条件时，输出趋近于三角波，其频谱也富含高次谐波。这样就会大大降低运放的 THD+N。此外，在描述一个运放的 THD+N 时必须指明它的测试条件，即在负载，频率，增益，幅度一定的情况下测定的值。

5.其它指标

• 共模抑制比
  共模抑制比 CMRR 被定义为差分电压放大倍数与共模电压放大倍数的比值，即 ADIF / ACOM。因为理想状态下共模电压被完全抑制，所以这个比值应该为无穷大。
  一个常见的共模干扰电压是来自交流电网的 50Hz 或者 60Hz 的噪声。必须确保运放的CMRR 不受到其他电路元件的影响。

• 电源噪声抑制比
  如果将运算放大器的供电变化∆Vs，那么就会改变内部晶体管的工作点，其结果就是 V0 会发生一个微小的变化。我们用输入失调电压来模拟这种变化，定义电源噪声抑制比为：
  
  对于运放供电不稳定的应用场景，比如使用了开关电源供电，可以考虑在输入端加入滤波电容或者改用高精度线性电源（LDO）来降低电源纹波

• 电源电流
  电源电流 ICC 是运放在没有负载情况下的静态吸收电流。它体现了运放的功耗。在运放中，通常以牺牲功耗为代价换取低的噪声和高的速度。当在低功耗电路中使用运放时，必须要考虑运放自身的消耗电流。

• 运放的噪声
  运放的数据手册中一般会给出运放的电压噪声和电流噪声。现代运放的电流噪声非常小，通常可以忽略不计。
  
  电压噪声功率谱密度与频率的关系如上图所示。运算放大器常有低频噪声区，该区的频谱密度图并不平坦。这种噪声称作 1/f 噪声，或闪烁噪声。通常说来，1/f 噪声的功率谱以 1/f 的速率下降，频率越低，噪声越大。这部分的噪声总量，非常难以计算，应用中我们通常利用器件公司提供的 0.1Hz – 10Hz 之间的噪声总量来估算。如下表中测得的 0.1－10Hz 间的噪声峰峰值为 90nVp-p；而运放的宽带噪声呈现出白噪声的功率谱密度，如下表中从10Hz 开始，到 1KHz，运放的噪声功率谱密度约为 3nv/√Hz。
  

三、运算放大器的选型

1.在哪看运放的指标

如果问我对于硬件工程师来说什么能力最重要，那毫无疑问，是阅读和理解元件数据手册的能力，数据手册（Datasheet）就像是元件的身份证和说明书，我们在数据手册上可以了解到诸如元件的性能介绍，如电气参数、物理参数等、引脚功能及管脚定义（画原理图）、内部寄存器定义（如果要写程序的话）、制造材料和封装形式（画封装）、厂家推荐的应用电路和应用方案等等。
下面，我将以一款TI的运放芯片opa353的数据手册为例，告诉大家数据手册可以告诉我们关于运放芯片的那些指标和信息：

首先在数据手册的开头部分，最显眼的位置，芯片厂家放上了FEATURE和APPLICATION两栏，这两栏直观的告诉了我们关于这款运放的特点和应用场景。
左侧栏由上至下分别为：轨对轨输入输出、宽带宽，高速，低噪声，低谐波失真，单位增益平稳，小体积封装
右侧栏告诉我们它的应用场景。

接着是芯片的总体描述，这里会对该芯片工艺，电气特性，应用场景做一个简洁的描述，方便硬件工程师对该芯片进行快速的评估和选型。

接下来看到标题为SPECIFICATIONS（规格，技术参数）的一个大表格，表格上方是具体的测试环境参数，如温度为25摄氏度，RL为1K,输入输出电压为VS/2等，我们在这个表格中可以看到该运放芯片的具体技术参数：

接下来是芯片的引脚定义，封装信息，输入范围和ESD防护

然后是关于电气性能参数的曲线图，我们通过读图可以具体的了解该芯片的电气特性，图表比较多，大部分指标上文都有描述，这里就不一一列出

然后是由芯片厂家指出的该运放的典型运用介绍，在做运放选型时务必仔细阅读

最后就是一些关于芯片封装和芯片包装的信息，如果你是pcb或者是负责工艺，生产销售的工程师，那这部分对你来说十分重要，如果是对于元器件选型，一般可以不用关注。

2.如何根据运放的指标进行选型

在设计电路之前，我们首先要知道需要设计的电路所要达到的性能指标，然后我们才能有的放矢。根据运算放大器的电气特性和功能，我们可以大体地将市面上地运放分为一下几类

• 通用运放：通常性能比较平均，没有突出地优点，价格较低，适合通用地应用场景，如op07、lm358、LM324

• 精密运放：具有微小输入失调电压、微小偏置电流、低噪低功耗，拥有优秀的直流交流特性，如OP07、OP17、OP27、OP37、OPA637, OPA627

• 高速运放：高速放大器有两个重要指标，带宽和压摆率，带宽决定了小信号通路时放大器的速度，而压摆率主要决定在大信号通路时放大器的速度，高速放大器具有优越的高速性能，如LM318、AD8052、opa690、OPA656U、OPA657、THS4631

• 差动放大器：集成差动放大器将电阻网络放在运放内部，常用于许多传感器地信号放大，如INA143

• 仪表放大器：一般具有低功耗地特性，如INA128

• 压控放大器：可以通过外部输入的电压来调节放大倍数，如VCA810、VCA820

• 高压放大器：如SG143

• 大功率放大器：如OPA549、OPA544

除此之外，根据反馈类型也可以分为电压反馈运放和电流反馈运放，根据供电类型可以分为单电源运放和双电源运放，根据封装不同可以分为单运放芯片，双运放芯片和四运放芯片，根据工艺的不同也可以进行分类，不过一般可以根据电气特性进行运放选型

3.运放选型实例

下面将通过一个运放选型实例，来说明然后根据需要的指标来选择对应的合适的运放芯片：
这是2009年全国大学生电子设计竞赛的一道题目《宽带直流放大器》
• 题目：宽带直流放大器
• 要求：

• 输入阻抗大于 1M Ohm;
• 输入信号：正弦波, 10MHz，<=10mVRMS
• 增益：0dB - 60dB, 步进尽可能小
• 输出信号：10VRMS，负载为 50 欧姆
• 肉眼观察无明显失真
• 增加一个自动增益控制模块使得：4.5Vpp <= Vout <= 5.5Vpp

这个题目中的设计要点在于：

• 输入阻抗大于 1M Ohm；（选择高输入阻抗的宽带放大器）
• 输入信号：正弦波, 10MHz，<=10mVRMS；
• 增益：0dB - 60dB, 步进尽可能小；（选择灵活的增益可变宽带放大器）
• 输出信号：10VRMS，负载为 50 欧姆（高压摆率和高输出功率）
• 肉眼观察无明显失真
• 增加一个自动增益控制功能：4.5Vpp <= Vout <= 5.5Vpp （闭环控制）
  从上面的描述可以看出，主要的设计要点在于：正确且较高的输入阻抗，大带宽且高压摆率，增益调节方便，高输出功率和数字反馈控制五个方面。这个题目的思路其实很清楚，就是输入缓冲+宽带压控增益放大+宽带功率驱动，运放部分的流程图如下所示：

对于带宽方面，由于输入信号的带宽为10MHZ，故需要选用具有较大带宽的运放芯片，通常需要一个高速运放。

对于输入阻抗方面，要求输入阻抗>1M 欧姆，这个要求对于精密放大器来说，通常不是问题，但是在高速放大器中，为了降低输入寄生电容对带宽的影响，输入阻抗被降低了，在示波器等测量仪器中，为保证时域信号幅度的准确，通常要求在相当宽的带宽内都能保证高输入阻抗，这时应选择 FET 型输入的放大器。

对于压摆率方面，当信号幅度较大时，压摆率常常比带宽更占据主导地位，对于压摆率不足时，往往会出现输出信号为三角波的情况

对于增益带宽积方面，需要满足在信号工作的频点处运放可以提供足够的增益，在本题来看需要具有较大的GBW

对于选用电压反馈放大器还是电流反馈放大器

• 在低速精密信号调理中，基本上看不到电流反馈放大器的身影，因为其直流精度远不如精密电压反馈放大器。
• 在高速信号调理中，应考虑设计中所需要的压摆率和增益带宽积；一般来说，电压反馈放大器在 10MHz 以下、低增益和小信号条件下会拥有更好的直流精度和失真性能；而电流反馈放大器在 10MHz 以上、高增益和大信号调理中会表现出更好的带宽和失真度。
• 在高速信号调理中，当下面两种情况任意出现一种时，你就需要考虑一下选择电流反馈放大器：1、噪声增益大于 4；2、信号频率大于 10MHz。

综上，在题目中的前置放大部分，信号的幅度较小， 我们可以选择±5V 供电的电压反馈放大器 OPA842 来进行 14dB 的固定增益放大；在功率级的 20dB 放大中，我们必须选择±18V 供电的电流反馈放大器 THS3001来实现大电压的高速信号输出，对于题目要求的可控增益放大器，可以考虑使用TI的压控增益放大器AD603或者TI 的 VCA810、VCA820 和 VCA822 。特别是 VCA810，它在±40dB 的增益可调范围内拥有 35MHz 的恒定带宽（包括小信号带宽和全功率带宽），仅需一片 VCA810 就能满足题目的需要。同时它的典型输出失调电压仅为±4mV，带来的失调误差小了 10 倍。

在产品的运放选型中，往往有很多款运放芯片都可以满足我们的要求，此时，我们就需要根据产品的性价比来进行选型，在焊接调试的过程中，我们不妨尝试换上几块类似性能的同封装芯片来比较一下性能的区别，积累实际的调试经验，这也是我们运放选型必须积累的技术知识。

附录 TI中高端运放产品线

TI 通过多种不同的处理技术提供了宽范围的运算放大器产品，其类型包括了高精度、微功率、低电压、高电压、高速以及轨至轨。TI 还开发了业界最大的低功耗及低电压运算放大器产品选集，其设计特性可满足宽范围的多种应用。