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运放
1930年代,可用于实现运算放大器的根本电路开始陆续涌现,到1940年代,贝尔实验室开拓出了运算放大器观点的实用电路。二战期间,贝尔公司实际上已经开拓出了真正的运算放大器,由于战役保密的缘故原由,在战后一段韶光才被公开,用于赞助瞄准的M9枪械指示器中用到的电子管电路,是运算放大器出身的一个标志。

M9枪械指示器利用的电子管运放,摘自《Op Amp Applications》, Walter G. Jung Editor, 2002
1947年,纽约哥伦比亚大学教授John Ragazzini在论文中命名了可以实行如加法、减法、乘法、积分、微分等数学运算的放大器为运算放大器(Operational Amplifier),或简称为运放,英文简写为Op Amp,运算放大器或运放的名称就此出身。
有别于当代的打算机或数字电路,运算放大器的运算因此仿照电路来实行的,下图是一个大略加法运算电路的示例。
运算放大器加法电路
真空电子管之后的运算放大器是用固态半导体元件模块或是稠浊集成电路来实现的。
固态半导体运放模块,摘自《Op Amp Applications》, Walter G. Jung Editor, 2002
稠浊集成电路运放,摘自《Op Amp Applications》, Walter G. Jung Editor, 2002
第一代大规模集成电路运放,是由线性集成电路先驱Robert J.(Bob) Widlar设计,Fairchild半导体公司(2015年被ON Semiconductor公司收购)在1963年推出的μA702和1965年推出的μA709。由于技能还不成熟,μA702没有得到多大成功。μA709也有许多的不敷,但是第一款得到大量运用的集成电路运算放大器,是一个经典的里程碑。
第二代运放,也是由Widlar设计,National半导体公司(2011年被Texas Instruments公司收购)于1967年推出的LM101。之后Fairchild半导体公司在1968年推出,由Dave Fullagar设计的μA741,成为了运算放大器的典范和行业的标准。令人惊异的是,只管已经由去了五十多年,至今这款电路设计,如Texas Instruments公司的LM741、STMicroelectronics公司的UA741等,竟然仍在商业运用之中。
线性集成电路先驱Robert J.(Bob) Widlar,摘自《Op Amp Applications》, Walter G. Jung Editor, 2002
虽然当代运算放大器的电路设计、工艺和性能有了很多的提高和发展,但还都因此当时第一代和第二代的观点和电路作为设计的出发点和根本的。
运算放大器之所以是运算放大器,其理论依据和努力目标,都是基于和实现“空想”运算放大器的假设。“空想”的运算放大器该当具有如下的性子:
无限大的放大倍数;无限大的输入阻抗;零输出阻抗。2
运放的音频运用
当前大家处处都会听到经由了运放处理的声音。许多地方都有运放的存在,比如功放、前级放大器、耳机放大器、唱头放大器、发话器放大器、解码器、有源分频系统、调音台、录音系统,等等。
音频运用中,紧张是利用运放靠近“空想”的性能,对小旗子暗记乃至是微弱旗子暗记前辈行高质量的放大等处理,再送入后续电路中,或者是作为精密滤波器,来处理或改变旗子暗记的频率特性。
由于一样平常处于小旗子暗记的运用之中,音频运放,常常哀求有低的噪声、低的失落真、快的速率、宽的频带、小的相移、大的负载能力、大的抗滋扰能力,等等。
家用音响系统示例,运放紧张可能被利用的地方和浸染
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常用技能手段
为了尽可能地知足音频运用的须要,并使运放“空想”化,常常要竭尽所能地采纳各种技能手段。除了一些常规的工艺技能,以及一些常用的电路构造之外,如电流镜、共射共基放大器、差分输入对、有源负载、电流源和电压源、互补差分输入、互补共射输出、共集输出(轨到轨振幅输出)、负反馈、补偿,等等,以下一些技能,用来针对性地实现运放的高端音频及整体性能。
1)BJT工艺
大家可能都熟知的CMOS(互补金属氧化半导体)电路具有体积小、功耗低、切换速率快、随意马虎数字连接、本钱低等优点,目前广泛盛行于大规模集成电路或芯片运用中,如中心处理器CPU、图形处理器GPU、旗子暗记处理器DSD、音频转换器DAC或ADC等等,大多是利用CMOS工艺来构建的。
但是,CMOS电路的仿照性能每每表现不佳,在音频一样平常只能作为低端产品利用。而BJT(双极结型晶体管)工艺,具有许多适宜仿照电路的优点,如能够实现高的电导率、高的增益、高的速率、低的输入失落调电压、低的输入噪声电压、大电流驱动能力,等等,因此,很适宜于音频运算放大器利用。高端音频运放,其集成芯片险些都是基于BJT工艺来实现的。
由于BJT须要有偏置电流才可以正常事情,这个工艺也有其不敷之处,最显著的问题便是输入偏置电流较大(一样平常是几百nA),会使运放偏离“空想”状态,带来偏差等影响,对音频运用的影响紧张表现在电流噪声相对较大。
2)BiFetT技能
为了填补BJT输入偏流较大的不敷,人们在运放中引入了BiFet技能。这是把BJT(双极结型晶体管)和JFET(结型场效应晶体管)在同一块基片上集成制作的工艺。运放的BJT差分输入对用JFET来代替后,输入偏置电流可以达到极小(一样平常是几十pA)的值。这类运放就被称作JFET输入的(或JFET)运算放大器,除输入差分对被JFET替代外,别的电路还是基本用BJT来实现的。
运用BiFet技能的JFET输入运放简化电路图,摘自“OPA1641数据表”
DiFet技能
在此根本上,进一步引入DiFet技能,即是利用Dielectrically Isolated(DI)介质隔离工艺,用二氧化硅薄层代替PN结来隔离基片上的各个晶体管。薄层有更小的电容密度,结合JFET,使运放可以实现更小的输入偏置电流(可低至几个pA)。比较常规BiFet,DiFet运放有更低的电压噪声(更靠近BJT的水平),也有更快的速率。
JFET的引入,使得运放有很低的电流噪声。但是同样地,和BJT恰好相反,其不敷之处是运放的电压噪声和失落调电压又相对较大。
3)iPolar工艺
Analog Devices公司利用的利用结合横向沟隔离的垂直(BJT)结隔离工艺,可以在较小的晶片上实现高速率和小功耗,由此带来的高压摆率、低失落真和低噪声非常适宜高保真音频和其它如高性能仪器的利用。
介质隔离(DI)工艺示意图,摘自《Analysis and Design of Analog Integrated Circuits》, Fifth Edition
4)SuperBeta技能
低噪声是音频运放的主要性能哀求,运放的噪声性能与输入级晶体管集电极偏置电流的均方值有反比的关系,因此此电流越大则噪声越小。为了同时达到尽可能小的输入电流和大的集电极电流,有些运算放大器对输入差分对晶体管利用了SuperBeta(超级放大系数)的技能,通过减小基极宽度等工艺方法,使晶体管的电流增益达到如2000~5000倍的数量级,这样运放输入级可以事情在较大的偏置电流(如1mA)以实现较好的噪声性能,同时对速率、带宽等性能也有利,而输入偏流仍旧可以保持在较低水平。
5)输入偏置电流取消
输入偏流取消电路,用来提升运放的直流(DC)性能,从而提高精度。通过在输入差分对基极分别接入多集电极晶体管电流源来实现。此方法对降落运放的电压噪声、失落调电压等有许多益处,但同时也产生了增加电流噪声、共模噪声和共模失落真等的不利影响。
SuperBeta和输入偏流取消电路,摘自《Analysis and Design of Analog Integrated Circuits》, Fifth Edition
6)二级放大构造
一样平常的运算放大器都是利用由输入、放大和输出组成的三级放大的构造。由于放大器的固有特性,每增加一级放大,都会引入一个相移,是一个不利影响。因此,有的运放,结合SuperBeta技能,采取二级放大构造,来提高相位裕度、改进失落真等性能。Analog Devices公司的AD797就采取了这样的技能。
7)大电流输出
电阻都是会产生噪声的,一样平常是Johnson(热)噪声,与电阻阻值的平方根成正比关系,因此,低噪声电路都只管即便利用低阻值的电阻。这就对运算放大器的负载能力提出了哀求,同样地,负载能力与运放失落真等性能也是密切干系的,以是,音频高性能的运算放大器,都须要设计成具备输出大电流(如大于30~40mA)的能力。音频运放大都利用CB(Complementary Bipolar-互补双极结型晶体管)的输出级构造,来实现快速的大电流输出。
8)非完备补偿放大器
放大器电路一样平常要将输出电压反馈到其负输入端(负反馈)来达到设计的目的,绝大多数的运算放大器可以实现100%的负反馈(增益为1倍)仍旧是稳定的,这类运放被称为是无条件稳定或完备补偿的。有些运放被设计成为仅在一定增益(如5倍)及以上是稳定的,其内部电路也会稍繁芜一些,利用条件也更苛刻,如不能大略地加入电容负反馈,但有更高的增益带宽积,也便是频带可以更宽、可以速率更快、压摆率(Slew Rate)更高,等。这类运放被称为是非完备补偿(Decompensated)运放。范例的例子是Texas Instruments公司的OPA627和OPA637,前者设计为单位增益(1倍)稳定,后者为5倍及以上稳定。
9)JFET声音
与以上描述主流思路恰好相反的设计想法,运放的输入差分对利用BJT,而后续处理利用JFET,或者全部旗子暗记处理回路均利用JFET。这样做的情由是或可能是,与BJT的指数型比较,JFET的平方型转移特性能够更好地抑制人耳敏感且不喜好的奇次谐波,以是声音会更好听。也可以理解为,与BJT的比较,如果JFET的声音更好听,那是由于少了奇次(紧张为3次)谐波,而多了偶次(紧张为2次)谐波。但是存在一个问题,不管是几次谐波,都该当是失落真。这个设计想法,可能还是有争议的。利用这个思路运放的例子有Analog Devices公司的OP275和OP285、Texas Instruments公司的OPA604和OPA2604等。
BJT和JFET转移特性比较,摘自“OPA604,OPA2604数据表”
提高音频运放性能的技能手段还有许多,如铜线连接、激光纠正、共模反馈、前馈、基片分离,等等,非常何马在这里就不一一细说了。
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常用高端音频运放排名
运放的输入电压噪声,比较其它指标,在高端音频运用,更加随意马虎成为制约运放性能的成分。这项指标,在运放音频运用的整体性能水平上有一定的代表性。以下,按输入电压噪声的高低,参考输入电流噪声和压摆率等,对常用的高端音频运算放大器做一个排名,同时也供应了价格指数。
排名解释:
1)本文以“高端”为目标,因此排名中未包括4通道、低电压和已停产的等运放。全差分运放常日在专业录音设备中利用,这里也没有包含在内;
2)价格指数是指各厂商官方发卖渠道给出的购买数量为1的价格,与同样条件下运放NE5532的价格的比值。此价格可能是单个运放电路的(单运放)或两个运放电路(双运放)的价格;
3)列表中运放,除其余标出外,都以SOIC-8(塑封贴片)作为默认封装;
4)失落真也是主要的指标之一,但与利用条件(外部电路)密切干系,各运放的官方数据常常没有直接的可比性,且有些运放的数据表上也没有列出此指标,须要进一步的判断。其它的一些指标,如频宽、共模抑制比、电源抑制比等等,也有类似情形;
5)运放的归类叫法较多,如通用运放、仪器运放、高速运放,等等。音频运放一样平常归于通用运放,但许多运放都可以作为音频利用,以是,并没有明确的界线,这里把可以用于音频的运放称为音频运放,以方便表达。
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选和用的问题
如此多的运放,如何选用可能还不是很随意马虎的。非常何马先来考试测验回答几个大家可能感兴趣的问题。
1)BJT输入还是JFET输入的运放更好?
BJT的电压噪声小,JFET电流噪声小,到底该当选用哪一类更精确呢?
一个大略且主要的判据,节制了就能把握选用的大方向,那便是旗子暗记源的电阻值。对付旗子暗记源电阻值小的电路,电流噪声可以忽略,就选用BJT(电压噪声小)的;反之,就选用JFET(电流噪声小)的。
旗子暗记源电阻大或小,理论上须要经由打算来判断,但一样平常来说,小于1k欧姆,可以认为是小电阻,当旗子暗记源电阻大于1k欧姆时,则最好进一步通过打算来确认。
源电阻不同时不同的主导噪声源,摘自 《Basic Linear Design》, Hank Zumbahlen Editor, 2007 Analog Devices, Inc.
实际运用中,小电阻旗子暗记源是常见的,比如动圈唱头、电容式发话器、DAC数模转换芯片、DAC解码器、CD机、有源前级放大器,等等,都是低输出电阻的;也有大电阻的旗子暗记源的情形,如无源前级、被动音量掌握、电路中串联大电阻的,等等。
2)有输入偏流取消电路、失落调电压小的, 就更好吗?
这每每是为了改进直流(DC)性能而增加的手段,对付音频运用,互换性能每每更为主要,而输入偏流取消(或补偿)电路,会使运放输入差分对更随意马虎事情在不对称的状态,从而无法完备取消共模噪声、共模失落真等,给运放的性能带来不利影响。举例如Analog Devices公司的OP27和OP270(有输入偏流取消电路),电压噪声指标分别为3和3.2nV/√Hz,低于Texas Instruments公司NE5532(无输入偏流取消电路)的5nV/√Hz,该当有更低的噪声。但是,在有共模电压涌现的串联负反馈电路中进行测试,它们的总谐波和噪声(THD+N)性能却劣于NE5532。
因此,有输入偏流取消电路的运放,虽然在有些场合利用是有利的(如直流耦合、直流伺服等),在作音频旗子暗记处理时要作谨慎考虑。
3)插拔改换运放可以比较优或劣吗?
运放的引脚基本上是兼容的(分别对单运放和双运放或其它),可以通过插拔分别试听不同的运放来比较声音的不同或利害。但是,很多情形下这样的比较是不合理的,这是由于运放内部设计的不同,利用的条件,特殊是补偿电路的参数等哀求,也很可能各有不同。不在最合理的条件下事情,运放的性能很可能会受到限定。再举Texas Instruments公司的OPA637和OPA627和Analog Devices公司的OP37和OP27的例子,个中OPA637和OP37 只能在放大倍数5倍或以上的电路中利用(稳定),如果在小于这个放大倍数的电路中利用,性能无法担保,很可能不能正常事情(相反OPA627和OP27可以)。因此,就如此两个系列的运放(还有其它类似的运放),虽然参数分别基本同等,也是不能随意互换利用的。
OPA637在放大电路增益即是或大于5时利用,摘自“OPA637数据表”
4)价格越贵越好吗?
BiFet工艺比纯挚BJT工艺更加繁芜,以是JFET输入的运放价格一样平常比BJT输入的更贵。BJT输入的运放更适宜于低输入源电阻的电路,JFET的则相反,各有各的长处,以及适宜运用发挥场合。
另一个情形,提高直流性能也是要有一定本钱的,高精度的运放也相对昂贵。运放在音频运用中对直流性能并不敏感,因而付出的这代价可能得不到回报,有时还可能揠苗助长,产生不利影响。
因此,可按实际情形选用得当的运放,而非是价格越贵就越好。
5)金属、陶瓷比塑料封装的更好吗?
同一个型号不同封装的运放,紧张的性能指标是基本同等的,没有任何实质的差别。不同封装只在有些参数上有眇小的不同,如热阻、温度变革等等。至今,没有任何明确理论依据来证明哪个封装的性能或声音更好。
运放常用封装形式
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小结
运算放大器型号繁多、技能手段多样。然而,只要电路设计合理,运放性能良好且能够正常事情,很多时候人耳是难以分辨出不同运放的声音差别的。非常何马,希望大家能理性看待、合理利用运放。作为仿照电路精彩天下的主要部分,一篇文章是很难覆盖运放的方方面面,遗漏、差错也一定难免,欢迎大家补充、示正。
头条@非常何马,2021.04.15
参考资料:
【1】 Analysis and Design of Analog Integrated Circuits, Fifth Edition, Paul R. Gray, Paul J. Hurst, Stephen H. Lewis, Robert G. Meyer, 2009 © JohnWiley & Sons, Inc.;
【2】 Basic Linear Design, Hank Zumbahlen Editor, 2007 Analog Devices, Inc.;
【3】 Op Amp Applications, Walter G. Jung Editor, 2002 Analog Devices, Inc.;
【4】 Small Signal Audio Design, Second Edition, Douglas Self, 2015 Focal Press;
【5】 文中各运放官方“数据表”(略)。
(文尾)