運算放大器的結構探討

       運算放大器的結構形式主要有三種：模塊、混合電路和單片集成電路。對於設計工程師來說，不僅是要知道所用產品的型號，而且還應熟悉生產這些產品的工藝，從而能夠從一類放大器中選出一种放大器做特定的應用。表1 給出了各種運算放大器結構的性能情況。

模塊
    目前使用幾種工藝生產運算放大器，性能最高的放大器是以模塊的形式由分立元件構成的。因為使用分立元件，所以可選用像高壓輸出晶體管、超低電流的FET管以及阻值很高的電阻等等這類專門製作的元件。在模塊的設計中，在電氣測試時（密封之前）通過對直流參數（比如失調電壓）或交流參數（比如建立時間）進行細調的方法來選擇電阻和電容是可能的。
    模塊工藝的缺點是實際的尺寸較大和價格高。由於每個模塊都是單獨構成的，大量加工製造是不現實的，並且製造成本相對地也是很高的，但是對於那些對性能有極高級別要求的特殊應用來說，由於模塊運算放大器的規範由生產廠來保證，所以它們還是有吸引力的。模塊運算放大器包括斬波穩定放大器、可變電抗靜電計放大器和寬頻高速放大器。

斬波穩定放大器
    當需要放大（或縮小）電平極低的電壓信號時，要使用斬波放大器。斬波放大器的內部是交流耦合的--有效的差動輸入信號被斬波成方波，這個方波被解調和放大。交流耦合消除了許多與運放有關的誤差，因此失調和漂移極低。斬波放大器的主要性能指標:
    低失調電壓　　10　A
    低失調漂移　　0.1　V/℃
    長期穩定性　　1　V/年
    高開環增益　　107V/V
    低溫升漂移　　3　V

靜電計放大器
    當需要儘可能高的輸入阻抗和最低的偏置電流時，要使用靜電計放大器。靜電計放大器內部也是交流耦合的，輸入信號被加到包括低漏流的變容二極體（電壓可變電容）的電橋上，該電橋由高頻載波信號所激勵。輸入電壓引起電橋的不平衡，合成的交流誤差信號被交流耦合到下一級，在那裡被同步解調和放大。使用低漏流可變電容產生的輸入電流低至10fA（1fA=10-15A），獲得這樣的低電流是以較高的失調電壓為代價的。

高速放大器
    用模塊的形式可以很容易地構成高速放大器，集成電路結構的許多限制在這裡不適用。例如，集成電路放大器由生產廠製作工藝造成的晶體管缺陷而引起的速度限制就不存在，模塊的設計就可以使用具有所要求頻響的經挑選的晶體管，由於許多寬頻放大器被用在驅動75　負載的視頻領域，所以必須提供大的輸出電流。
    對於這樣輸出特性所要求的功率，靠模快的較大熱媒質來耗散要容易得多。超高速放大器性能如下：
    快的建立時間　　100ns(到0.01%)
    轉換速率　　　　1000V/　s
    全功率帶寬　　　10MHz
    輸出電流　　　　10mA

混合放大器
    很多與模塊結構同樣的好處也適用於混合放大器，和模塊的情形一樣，可以把單一封裝里用不同的（以及不相容的）工藝製作的元件組合起來，混合結構超過模塊結構的優點是有較小的尺寸和較低的成本。通常把混合工藝應用於運算放大器是為了改善偏置電流、輸出驅動能力或有超過單片或分立設計器件的帶寬。

混合FET輸入運算放大器：
    低偏置電流 達75fA
    低失調電壓 達0.25mV
    低漂移 達3　V/℃
    適中的成本 5~10美元的範圍內
    直至最近，多數由精密匹配的FET差動放大器組成的FET輸入放大器被單片運算放大器所取代，儘管現在能夠用雙極兼容工藝製造結型場效應管，但最高精度的 JFET輸入運放仍舊用混合工藝技術製成。儘管能夠購買一對分立的低漏流的FET管，並把741運放接在這一級的後面，但通常由混合單元可以獲得更好的性能。例如，混合電路的規範由生產廠來保證並測試，任何需要的調整一般也由生產廠來完成，當然，一塊封裝好的混合放大器不比741佔據更多的空間，而性能上卻呈現數量級的增長。

寬頻混合放大器
     ●可以在較小的封裝里進行成對的模塊設計在晶元形式上使用分立晶體管
     ●適用於視頻應用
    混合工藝也允許放大器由一批分立的高頻晶體管構成，實際上，在採用與模塊一樣元件的混合形式中，使模塊放大器電路成對也是可能的，但要採用未封裝的晶元的形式。模擬器件公司的計算機實驗室生產了各種各樣的適合於視頻應用的寬頻混合放大器。

單片集成運算放大器
    使用最廣的運放是單片集成電路型，各種各樣的集成電路運放是由許多不同的賣主處得到的，這些年來，設計和工藝方面的改善促使很高性能運放的形成，由於供特定應用所要求的運放規範常常支配選擇最好的運放工藝，所以對於運放的用戶來講，至少要了解在集成電路運放製作中所採用的各種工藝，是很有用的。各種工藝的比較列於表２。

一、標準的雙極工藝
    在大多數運放中使用的是標準結隔離的雙極工藝，生產三種基本晶體管：高質量的縱向NPN晶體管、高質量的縱向PNP管和質量稍差的橫向PNP晶體管。由於縱向PNP管的集電極常常要接到負電源上，所以限制了它的實用性，這樣，在放大器電路的其它地方能被採用的兩種晶體管就是縱向NPN和橫向PNP。橫向 PNP管的性能指標較低（　和fT 低），它基本上是用在偏置電路中，所以，在儘可能多的有效信號通道中使用的就是NPN管。採用標準雙極晶體管的放大器，其基流一般在100nA到1　A的範圍內，有相當低的失調電壓和漂移，以及低電壓雜訊。這類放大器的實例有741和301等。

二、超　工藝
    超　工藝是標準的雙極性工藝的一種補充。利用一個附加的擴散步驟，就可以生產　值為幾千的NPN晶體管，輸入偏置電流降低約一個數量級，達到10nA或更低。輸入級增大的增益降低了輸入偏置電流，並改善了共模抑制能力，這是精密放大器的兩個重要規範。超　運放的典型開環增益為幾兆，共模抑制比超過 100dB，輸入失調電壓特性類似於或超過標準的雙極型運放。超　放大器的例子有308、AD510和AD517等。

三、介質隔離雙極型
    在常規的雙極性和超　集成電路中，各個晶體管是利用反相偏置的p-n結彼此隔離的，限制橫向PNP晶體管（並且歸根結底限制放大器）的帶寬的是這些寄生電容。介質隔離（DI）工藝利用薄氧化層來提供晶體管之間的隔離，於是使得製造高速PNP晶體管進而生產高速放大器成為可能。
    然而DI工藝不是沒有其局限性的，氧化層很容易被靜電放電擊穿，結果導致器件的損壞。另一個缺點是DI電路比p-n結隔離的等效電路需要更大的幾何面積，結果要求稍大一點的晶元尺寸。

四、BIFET工藝
    BIFET工藝使用離子注入，在同時包含標準的雙極型器件的晶元上，製作高擊穿電壓的結型場效應晶體管（JFET），可以把這樣一對JFET管用作運放的輸入器件，通常是以犧牲失調電壓、漂移、CMR和雜訊指標來獲得其它一些性能。較新的設計為工廠修正BIFET運放的失調電壓和漂移提供了可能。一些精密的BIFET型放大器的實例有AD542、AD544、AD547和雙運放AD642、AD644、AD647。

五、BI-MOS工藝
   由於JFET能被用作高阻抗的輸入級，人們可能很想考慮把MOSFET管用於同一目的，某些廠商開發出能使MOSFET包含在雙極型集成電路上的生產工藝。理想狀態MOSFET管僅有氧化物漏流而沒有JFET中的結漏流。這一漏流低得多，可能使輸入偏置電流降低，然而，MOSFET是種ESD敏感器件，它要求在輸入級上有二極體保護，常常是這些二極體呈現的漏流至少像JFET輸入放大器的輸入偏置電流一樣大，而且在音頻頻譜內，MOSFET往往是比 JFET更多的雜訊源，而且直流失調很難控制。
    當MOSFET被用於一個運放的輸出級時，它能使輸出擺動到接近於電源電壓。在常規的雙極型輸出級中，輸出擺幅受飽和電壓和其它影響的限制。重要的一點是，要注意必須給MOSFET輸出級加一點載荷，以減少它對RON的影響。

六、CMOS工藝
    放大器全部由MOSFET管構成也是可能的，但如果按著傳統的運放設計來構成，則這些放大器表現的性能很差。較新的設計是使用CMOS開關和外部電容來提供失調電壓抵消，這類似於在斬波穩定放大器中使用的方法，這種設計有雜訊高、輸出能力差和限制電源電壓範圍的缺點。

七、激光修正
    激光修正技術可以適用於上述的晶元上含有薄膜電阻的任何一種形式的放大器，通過修正一對電阻中的一個電阻，可以調整差分輸入級中的工作條件，以便降低失調電壓。這種技術使得常規生產的雙極輸入運放，可保證具有低至25　V的失調電壓，而高性能的BIFET放大器可保證只有250　V的失調。經失調調整的放大器能夠製成精密的電路而不需要外部失調調節。外部調節常常易遭受電位器不穩定、機械衝擊以及意外的失調等影響。

八、"Zener-Zap"修正
    修正失調電壓的另一種方法是所謂的"Zener-Zap"修正。在激光修正中，是通過修正電阻來改變雙極型差分級中的射極電流。在"Zener-Zap" 中，用計數的方法（類似於DAC）調整一系列電流源以造成電流的平衡，從而形成了最低的失調電壓。當通過檢測設備規定了電流源的正確組合時，把高壓脈衝加到期望的電流源上，來對它們實行永久編程。
   "Zener-Zap"唯一不利的方面就是可編程電流源比一對薄膜電阻要求佔用更大量的晶元面積，因而它不適用於用做需線形調節的數據變換器，其優點是它不要求薄膜澱積工藝步驟。AD OP-07是"Zener-Zap"修正運放的一個例子。