模拟运算放大器的原理

模拟运算放大器的原理、选用原则和实际应用

1． 模拟运放的分类及特点

模拟运算放大器从诞生至今，已有 40 多年的历史了。最早的工艺是采用硅 NPN 工艺，

后来改进为硅 NPN-PNP 工艺（后面称为标准硅工艺）。在结型场效应管技术成熟后，又进

一步的加入了结型场效应管工艺。当 MOS 管技术成熟后，特别是 CMOS 技术成熟后，模拟

运算放大器有了质的飞跃，一方面解决了低功耗的问题，另一方面通过混合模拟与数字电路

技术，解决了直流小信号直接处理的难题。

根据制造工艺，目前在使用中的集成模拟运算放大器可以分为标准硅工艺运算放大器、

在标准硅工艺中加入了结型场效应管工艺的运算放大器、在标准硅工艺中加入了 MOS 工艺

的运算放大器。按照工艺分类，是为了便于初学者了解加工工艺对集成模拟运算放大器性能

的影响，快速掌握运放的特点。

标准硅工艺的集成模拟运算放大器的特点是开环输入阻抗低，输入噪声低、增益稍低、

成本低，精度不太高，功耗较高。这是由于标准硅工艺的集成模拟运算放大器内部全部采用

NPN-PNP 管，它们是电流型器件，输入阻抗低，输入噪声低、增益低、功耗高的特点，即

使输入级采用多种技术改进，在兼顾起啊挺能的前提下仍然无法摆脱输入阻抗低的问题，典

型开环输入阻抗在 1M数量级。为了顾及频率特性，中间增益级不能过多，使得总

增益偏小，一般在 80~110dB 之间。标准硅工艺可以结合激光修正技术，使集成模拟运算放

在标准硅工艺中加入了 MOS 场效应管工艺的运算放大器分为三类，一类是是将标准硅工艺

的集成模拟运算放大器的输入级改进为 MOS 场效应管，比结型场效应管大大提高运放的开

环输入阻抗，顺带提高通用运放的转换速度，其它与标准硅工艺的集成模拟运算放大器类似。

典型开环输入阻抗在 1012数量级。典型代表是 CA3140。

第二类是采用全 MOS 场效应管工艺的模拟运算放大器，它大大降低了功耗，但是电源

电压降低，功耗大大降低，它的典型开环输入阻抗在 1012数量级。

第三类是采用全 MOS 场效应管工艺的模拟数字混合运算放大器，采用所谓斩波稳零技术，

主要用于改善直流信号的处理精度，输入失调电压可以达到 0.01uV，温度漂移指标目前可

以达到 0.02ppm。在处理直流信号方面接近理想运放特性。它的典型开环输入阻抗在

1012数量级。典型产品是 ICL7650。

1．2．按照功能/性能分类

本分类方法参考了《中国集成电路大全》集成运算放大器。

按照功能/性能分类，模拟运算放大器一般可分为通用运放、低功耗运放、精密运放、高输

入阻抗运放、高速运放、宽带运放、高压运放，另外还有一些特殊运放，例如程控运放、电

流运放、电压跟随器等等。实际上由于为了满足应用需要，运放种类极多。本文以上述简单

分类法为准。

需要说明的是，随着技术的进步，上述分类的门槛一直在变化。例如以前的 LM108 最初是

归入精密运放类，现在只能归入通用运放了。另外，有些运放同时具有低功耗和高输入阻抗，

或者与此类似，这样就可能同时归入多个类中。

或低噪声运放。这类运放的温度漂移一般低于 1uV/摄氏度。由于技术进步的原因，早期的

部分运放的失调电压比较高，可能达到 1mV；现在精密运放的失调电压可以达到 0.1mV；

采用斩波稳零技术的精密运放的失调电压可以达到 0.005mV。精密运放主要用于对放大处理

精度有要求的地方，例如自控仪表等等。

高输入阻抗运放一般是指采用结型场效应管或是 MOS 管做输入级的集成运放，这包括了全

MOS 管做的集成运放。高输入阻抗运放的输入阻抗一般大于 109 欧姆。作为高输入阻抗运

放的一个附带特性就是转换速度比较高。高输入阻抗运放用途十分广泛，例如采样保持电路、

积分器、对数放大器、测量放大器、带通滤波器等等。

高速运放是指转换速度较高的运放。一般转换速度在 100V/us 以上。高速运放用于高速

AD/DA 转换器、高速滤波器、高速采样保持、锁相环电路、模拟乘法器、机密比较器、视

于±20VDC。当然，高压运放可以用通用运放在输出后面外扩晶体管/MOS 管来代替。

2． 运放的主要参数

本节以《中国集成电路大全》集成运算放大器为主要参考资料，同时参考了其它相关资料。

集成运放的参数较多，其中主要参数分为直流指标和交流指标。

其中主要直流指标有输入失调电压、输入失调电压的温度漂移（简称输入失调电压温漂）、

输入偏置电流、输入失调电流、输入偏置电流的温度漂移（简称输入失调电流温漂）、差模

开环直流电压增益、共模抑制比、电源电压抑制比、输出峰-峰值电压、最大共模输入电压、

最大差模输入电压。

主要交流指标有开环带宽、单位增益带宽、转换速率 SR、全功率带宽、建立时间、等效输

2．1 直流指标

2．1 直流指标

输入失调电压 VIO：输入失调电压定义为集成运放输出端电压为零时，两个输入端之间所加

的补偿电压。输入失调电压实际上反映了运放内部的电路对称性，对称性越好，输入失调电

压越小。输入失调电压是运放的一个十分重要的指标，特别是精密运放或是用于直流放大时。

输入失调电压与制造工艺有一定关系，其中双极型工艺（即上述的标准硅工艺）的输入失调

电压在±1~10mV 之间；采用场效应管做输入级的，输入失调电压会更大一些。对于精密运

放，输入失调电压一般在 1mV 以下。输入失调电压越小，直流放大时中间零点偏移越小，

输入偏置电流 IIB：输入偏置电流定义为当运放的输出直流电压为零时，其两输入端的偏置

电流平均值。输入偏置电流对进行高阻信号放大、积分电路等对输入阻抗有要求的地方有较

大的影响。输入偏置电流与制造工艺有一定关系，其中双极型工艺（即上述的标准硅工艺）

的输入偏置电流在±10nA~1μA 之间；采用场效应管做输入级的，输入偏置电流一般低于

输入失调电流 IIO：输入失调电流定义为当运放的输出直流电压为零时，其两输入端偏置电

流的差值。输入失调电流同样反映了运放内部的电路对称性，对称性越好，输入失调电流越

输入失调电流的温度漂移（简称输入失调电流温漂）：输入偏置电流的温度漂移定义为在给

定的温度范围内，输入失调电流的变化与温度变化的比值。这个参数实际是输入失调电流的

补充，便于计算在给定的工作范围内，放大电路由于温度变化造成的漂移大小。输入失调电

流温漂一般只是在精密运放参数中给出，而且是在用以直流信号处理或是小信号处理时才需

要关注。

差模开环直流电压增益：差模开环直流电压增益定义为当运放工作于线性区时，运放输出电

压与差模电压输入电压的比值。由于差模开环直流电压增益很大，大多数运放的差模开环直

流电压增益一般在数万倍或更多，用数值直接表示不方便比较，所以一般采用分贝方式记录

和比较。一般运放的差模开环直流电压增益在 80~120dB 之间。实际运放的差模开环电压增