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1 運(yùn)放 1930年代,，可用于實(shí)現(xiàn)運(yùn)算放大器的基礎(chǔ)電路開始陸續(xù)出現(xiàn)，到1940年代,，貝爾實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出了運(yùn)算放大器概念的實(shí)用電路,。二戰(zhàn)期間,，貝爾公司實(shí)際上已經(jīng)開發(fā)出了真正的運(yùn)算放大器，由于戰(zhàn)爭(zhēng)保密的原因,，在戰(zhàn)后一段時(shí)間才被公開,，用于輔助瞄準(zhǔn)的M9槍械指示器中用到的電子管電路，是運(yùn)算放大器誕生的一個(gè)標(biāo)志,。  M9槍械指示器使用的電子管運(yùn)放，摘自《Op Amp Applications》, Walter G. Jung Editor, 2002 1947年,，紐約哥倫比亞大學(xué)教授John Ragazzini在論文中命名了可以執(zhí)行如加法,、減法、乘法,、積分,、微分等數(shù)學(xué)運(yùn)算的放大器為運(yùn)算放大器（Operational Amplifier），或簡(jiǎn)稱為運(yùn)放,，英文簡(jiǎn)寫為Op Amp,，運(yùn)算放大器或運(yùn)放的名稱就此誕生。 有別于現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)或數(shù)字電路,，運(yùn)算放大器的運(yùn)算是以模擬電路來執(zhí)行的,，下圖是一個(gè)簡(jiǎn)單加法運(yùn)算電路的示例。  運(yùn)算放大器加法電路 真空電子管之后的運(yùn)算放大器是用固態(tài)半導(dǎo)體元件模塊或是混合集成電路來實(shí)現(xiàn)的,。  固態(tài)半導(dǎo)體運(yùn)放模塊,，摘自《Op Amp Applications》, Walter G. Jung Editor, 2002  混合集成電路運(yùn)放，摘自《Op Amp Applications》, Walter G. Jung Editor, 2002 第一代大規(guī)模集成電路運(yùn)放,，是由線性集成電路先驅(qū)Robert J.(Bob) Widlar設(shè)計(jì),，F(xiàn)airchild半導(dǎo)體公司（2015年被ON Semiconductor公司收購(gòu)）在1963年推出的μA702和1965年推出的μA709。由于技術(shù)還不成熟,，μA702沒有獲得多大成功,。μA709也有許多的不足，但是第一款獲得大量應(yīng)用的集成電路運(yùn)算放大器,，是一個(gè)經(jīng)典的里程碑,。 第二代運(yùn)放，也是由Widlar設(shè)計(jì),，National半導(dǎo)體公司（2011年被Texas Instruments公司收購(gòu)）于1967年推出的LM101,。之后Fairchild半導(dǎo)體公司在1968年推出，由Dave Fullagar設(shè)計(jì)的μA741,，成為了運(yùn)算放大器的典范和行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn),。令人驚訝的是,，盡管已經(jīng)過去了五十多年，至今這款電路設(shè)計(jì),，如Texas Instruments公司的LM741,、STMicroelectronics公司的UA741等，竟然仍在商業(yè)應(yīng)用之中,。  線性集成電路先驅(qū)Robert J.(Bob) Widlar，摘自《Op Amp Applications》, Walter G. Jung Editor, 2002 雖然現(xiàn)代運(yùn)算放大器的電路設(shè)計(jì),、工藝和性能有了很多的提高和發(fā)展,，但還都是以當(dāng)時(shí)第一代和第二代的概念和電路作為設(shè)計(jì)的起點(diǎn)和基礎(chǔ)的。 運(yùn)算放大器之所以是運(yùn)算放大器,，其理論依據(jù)和努力目標(biāo),，都是基于和實(shí)現(xiàn)“理想”運(yùn)算放大器的假設(shè)?！袄硐搿钡倪\(yùn)算放大器應(yīng)該具有如下的性質(zhì)：
2 運(yùn)放的音頻應(yīng)用 當(dāng)前大家處處都會(huì)聽到經(jīng)過了運(yùn)放處理的聲音,。許多地方都有運(yùn)放的存在，比如功放,、前級(jí)放大器,、耳機(jī)放大器、唱頭放大器,、話筒放大器、解碼器,、有源分頻系統(tǒng),、調(diào)音臺(tái)、錄音系統(tǒng),，等等,。 音頻應(yīng)用中，主要是利用運(yùn)放接近“理想”的性能,，對(duì)小信號(hào)甚至是微弱信號(hào)先進(jìn)行高質(zhì)量的放大等處理,，再送入后續(xù)電路中，或者是作為精密濾波器,，來處理或改變信號(hào)的頻率特性,。 因?yàn)橐话闾幱谛⌒盘?hào)的應(yīng)用之中，音頻運(yùn)放,，常常要求有低的噪聲,、低的失真,、快的速度、寬的頻帶,、小的相移,、大的負(fù)載能力、大的抗干擾能力,，等等,。  家用音響系統(tǒng)示例,，運(yùn)放主要可能被使用的地方和作用 3 常用技術(shù)手段 為了盡可能地滿足音頻應(yīng)用的需要,，并使運(yùn)放“理想”化，常常要竭盡所能地采取各種技術(shù)手段,。除了一些常規(guī)的工藝技術(shù),，以及一些常用的電路結(jié)構(gòu)之外，如電流鏡,、共射共基放大器,、差分輸入對(duì)、有源負(fù)載,、電流源和電壓源,、互補(bǔ)差分輸入、互補(bǔ)共射輸出,、共集輸出（軌到軌振幅輸出）,、負(fù)反饋、補(bǔ)償,，等等,，以下一些技術(shù)，用來針對(duì)性地實(shí)現(xiàn)運(yùn)放的高端音頻及整體性能,。 1）BJT工藝 大家可能都熟知的CMOS（互補(bǔ)金屬氧化半導(dǎo)體）電路具有體積小,、功耗低、切換速度快,、容易數(shù)字連接,、成本低等優(yōu)點(diǎn)，目前廣泛流行于大規(guī)模集成電路或芯片應(yīng)用中,，如中央處理器CPU,、圖形處理器GPU、信號(hào)處理器DSD,、音頻轉(zhuǎn)換器DAC或ADC等等,，大多是使用CMOS工藝來構(gòu)建的。 但是,，CMOS電路的模擬性能往往表現(xiàn)不佳,，在音頻一般只能作為低端產(chǎn)品使用,。而BJT（雙極結(jié)型晶體管）工藝，具有許多適合模擬電路的優(yōu)點(diǎn),，如能夠?qū)崿F(xiàn)高的電導(dǎo)率,、高的增益、高的速度,、低的輸入失調(diào)電壓,、低的輸入噪聲電壓、大電流驅(qū)動(dòng)能力,，等等,，因此，很適合于音頻運(yùn)算放大器使用,。高端音頻運(yùn)放,，其集成芯片幾乎都是基于BJT工藝來實(shí)現(xiàn)的。 因?yàn)锽JT需要有偏置電流才可以正常工作,，這個(gè)工藝也有其不足之處,，最顯著的問題就是輸入偏置電流較大（一般是幾百nA），會(huì)使運(yùn)放偏離“理想”狀態(tài),，帶來誤差等影響,，對(duì)音頻應(yīng)用的影響主要表現(xiàn)在電流噪聲相對(duì)較大。 2）BiFetT技術(shù) 為了彌補(bǔ)BJT輸入偏流較大的不足,，人們?cè)谶\(yùn)放中引入了BiFet技術(shù),。這是把BJT（雙極結(jié)型晶體管）和JFET（結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管）在同一塊基片上集成制作的工藝。運(yùn)放的BJT差分輸入對(duì)用JFET來代替后,，輸入偏置電流可以達(dá)到極?。ㄒ话闶菐资畃A）的值。這類運(yùn)放就被稱作JFET輸入的（或JFET）運(yùn)算放大器,，除輸入差分對(duì)被JFET替代外,，其余電路還是基本用BJT來實(shí)現(xiàn)的。  應(yīng)用BiFet技術(shù)的JFET輸入運(yùn)放簡(jiǎn)化電路圖，摘自“OPA1641數(shù)據(jù)表” DiFet技術(shù) 在此基礎(chǔ)上,，進(jìn)一步引入DiFet技術(shù),，即是使用Dielectrically Isolated（DI）介質(zhì)隔離工藝，用二氧化硅薄層代替PN結(jié)來隔離基片上的各個(gè)晶體管,。薄層有更小的電容密度,，結(jié)合JFET，使運(yùn)放可以實(shí)現(xiàn)更小的輸入偏置電流（可低至幾個(gè)pA）,。相比常規(guī)BiFet,，DiFet運(yùn)放有更低的電壓噪聲（更靠近BJT的水平）,，也有更快的速度。 JFET的引入,，使得運(yùn)放有很低的電流噪聲,。但是同樣地，和BJT正好相反,，其不足之處是運(yùn)放的電壓噪聲和失調(diào)電壓又相對(duì)較大,。 3）iPolar工藝 Analog Devices公司使用的利用結(jié)合橫向溝隔離的垂直（BJT）結(jié)隔離工藝，可以在較小的晶片上實(shí)現(xiàn)高速度和小功耗,，由此帶來的高壓擺率,、低失真和低噪聲非常適合高保真音頻和其它如高性能儀器的使用。  介質(zhì)隔離（DI）工藝示意圖,，摘自《Analysis and Design of Analog Integrated Circuits》, Fifth Edition 4）SuperBeta技術(shù) 低噪聲是音頻運(yùn)放的重要性能要求，運(yùn)放的噪聲性能與輸入級(jí)晶體管集電極偏置電流的均方值有反比的關(guān)系,，因此此電流越大則噪聲越小,。為了同時(shí)達(dá)到盡可能小的輸入電流和大的集電極電流，有些運(yùn)算放大器對(duì)輸入差分對(duì)晶體管運(yùn)用了SuperBeta（超級(jí)放大系數(shù)）的技術(shù),，通過減小基極寬度等工藝措施,，使晶體管的電流增益達(dá)到如2000~5000倍的數(shù)量級(jí)，這樣運(yùn)放輸入級(jí)可以工作在較大的偏置電流（如1mA）以實(shí)現(xiàn)較好的噪聲性能,，同時(shí)對(duì)速度,、帶寬等性能也有利，而輸入偏流仍然可以保持在較低水平,。 5）輸入偏置電流取消 輸入偏流取消電路,，用來提升運(yùn)放的直流（DC）性能，從而提高精度,。通過在輸入差分對(duì)基極分別接入多集電極晶體管電流源來實(shí)現(xiàn),。此方法對(duì)降低運(yùn)放的電壓噪聲、失調(diào)電壓等有許多益處,，但同時(shí)也產(chǎn)生了增加電流噪聲,、共模噪聲和共模失真等的不利影響。  SuperBeta和輸入偏流取消電路,，摘自《Analysis and Design of Analog Integrated Circuits》, Fifth Edition 6）二級(jí)放大結(jié)構(gòu) 一般的運(yùn)算放大器都是使用由輸入、放大和輸出組成的三級(jí)放大的結(jié)構(gòu),。由于放大器的固有特性,，每增加一級(jí)放大，都會(huì)引入一個(gè)相移，是一個(gè)不利影響,。因此,，有的運(yùn)放，結(jié)合SuperBeta技術(shù),，采用二級(jí)放大結(jié)構(gòu),，來提高相位裕度、改善失真等性能,。Analog Devices公司的AD797就采用了這樣的技術(shù),。 7）大電流輸出 電阻都是會(huì)產(chǎn)生噪聲的，一般是Johnson（熱）噪聲,，與電阻阻值的平方根成正比關(guān)系,，因此，低噪聲電路都盡量使用低阻值的電阻,。這就對(duì)運(yùn)算放大器的負(fù)載能力提出了要求,，同樣地，負(fù)載能力與運(yùn)放失真等性能也是密切相關(guān)的,，所以,，音頻高性能的運(yùn)算放大器，都需要設(shè)計(jì)成具備輸出大電流（如大于30~40mA）的能力,。音頻運(yùn)放大都使用CB（Complementary Bipolar-互補(bǔ)雙極結(jié)型晶體管）的輸出級(jí)結(jié)構(gòu),，來實(shí)現(xiàn)快速的大電流輸出。 8）非完全補(bǔ)償放大器 放大器電路一般要將輸出電壓反饋到其負(fù)輸入端（負(fù)反饋）來達(dá)到設(shè)計(jì)的目的,，絕大多數(shù)的運(yùn)算放大器可以實(shí)現(xiàn)100%的負(fù)反饋（增益為1倍）仍然是穩(wěn)定的,，這類運(yùn)放被稱為是無(wú)條件穩(wěn)定或完全補(bǔ)償?shù)摹Ｓ行┻\(yùn)放被設(shè)計(jì)成為僅在一定增益（如5倍）及以上是穩(wěn)定的,，其內(nèi)部電路也會(huì)稍復(fù)雜一些,，使用條件也更苛刻，如不能簡(jiǎn)單地加入電容負(fù)反饋,，但有更高的增益帶寬積,，也就是頻帶可以更寬、可以速度更快,、壓擺率（Slew Rate）更高,，等。這類運(yùn)放被稱為是非完全補(bǔ)償（Decompensated）運(yùn)放,。典型的例子是Texas Instruments公司的OPA627和OPA637,，前者設(shè)計(jì)為單位增益（1倍）穩(wěn)定，后者為5倍及以上穩(wěn)定,。 9）JFET聲音 與以上描述主流思路正好相反的設(shè)計(jì)想法，運(yùn)放的輸入差分對(duì)使用BJT,，而后續(xù)處理使用JFET,，或者全部信號(hào)處理回路均使用JFET,。這樣做的理由是或可能是，與BJT的指數(shù)型相比,，JFET的平方型轉(zhuǎn)移特性能夠更好地抑制人耳敏感且不喜歡的奇次諧波,，所以聲音會(huì)更好聽。也可以理解為,，與BJT的相比,，如果JFET的聲音更好聽，那是因?yàn)樯倭似娲危ㄖ饕獮?次）諧波,，而多了偶次（主要為2次）諧波,。但是存在一個(gè)問題，不管是幾次諧波,，都應(yīng)該是失真,。這個(gè)設(shè)計(jì)想法，可能還是有爭(zhēng)議的,。使用這個(gè)思路運(yùn)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轉(zhuǎn)移特性比較,，摘自“OPA604，OPA2604數(shù)據(jù)表” 提高音頻運(yùn)放性能的技術(shù)手段還有許多,，如銅線連接,、激光矯正、共模反饋,、前饋、基片分離,，等等,，非常何馬在這里就不一一細(xì)說了。 4 常用高端音頻運(yùn)放排名 運(yùn)放的輸入電壓噪聲,，相比其它指標(biāo),，在高端音頻應(yīng)用，更加容易成為制約運(yùn)放性能的因素,。這項(xiàng)指標(biāo),，在運(yùn)放音頻應(yīng)用的整體性能水平上有一定的代表性。以下,，按輸入電壓噪聲的高低,，參考輸入電流噪聲和壓擺率等，對(duì)常用的高端音頻運(yùn)算放大器做一個(gè)排名，同時(shí)也提供了價(jià)格指數(shù),。  排名說明： 1）本文以“高端”為目標(biāo),，因此排名中未包括4通道,、低電壓和已停產(chǎn)的等運(yùn)放。全差分運(yùn)放通常在專業(yè)錄音設(shè)備中使用,，這里也沒有包含在內(nèi),； 2）價(jià)格指數(shù)是指各廠商官方銷售渠道給出的購(gòu)買數(shù)量為1的價(jià)格，與同樣條件下運(yùn)放NE5532的價(jià)格的比值,。此價(jià)格可能是單個(gè)運(yùn)放電路的（單運(yùn)放）或兩個(gè)運(yùn)放電路（雙運(yùn)放）的價(jià)格； 3）列表中運(yùn)放,，除另外標(biāo)出外，都以SOIC-8（塑封貼片）作為默認(rèn)封裝,； 4）失真也是重要的指標(biāo)之一，但與使用條件（外部電路）密切相關(guān),，各運(yùn)放的官方數(shù)據(jù)常常沒有直接的可比性，且有些運(yùn)放的數(shù)據(jù)表上也沒有列出此指標(biāo),，需要進(jìn)一步的判斷。其它的一些指標(biāo),，如頻寬,、共模抑制比、電源抑制比等等,，也有類似情況,； 5）運(yùn)放的歸類叫法較多，如通用運(yùn)放,、儀器運(yùn)放,、高速運(yùn)放，等等,。音頻運(yùn)放一般歸于通用運(yùn)放,，但許多運(yùn)放都可以作為音頻使用，所以,，并沒有明確的界限,，這里把可以用于音頻的運(yùn)放稱為音頻運(yùn)放，以方便表達(dá),。 5 選和用的問題 如此多的運(yùn)放,，如何選用可能還不是很容易的。非常何馬先來嘗試回答幾個(gè)大家可能感興趣的問題,。 1）BJT輸入還是JFET輸入的運(yùn)放更好？ BJT的電壓噪聲小,，JFET電流噪聲小,，到底應(yīng)該選用哪一類更正確呢？ 一個(gè)簡(jiǎn)單且重要的判據(jù),，掌握了就能把握選用的大方向,，那就是信號(hào)源的電阻值。對(duì)于信號(hào)源電阻值小的電路,，電流噪聲可以忽略,，就選用BJT（電壓噪聲小）的,；反之,，就選用JFET（電流噪聲小）的,。 信號(hào)源電阻大或小,，理論上需要經(jīng)過計(jì)算來判斷，但一般來說,，小于1k歐姆,，可以認(rèn)為是小電阻，當(dāng)信號(hào)源電阻大于1k歐姆時(shí),，則最好進(jìn)一步通過計(jì)算來確認(rèn),。 源電阻不同時(shí)不同的主導(dǎo)噪聲源,，摘自 《Basic Linear Design》, Hank Zumbahlen Editor, 2007 Analog Devices, Inc. 實(shí)際應(yīng)用中,，小電阻信號(hào)源是常見的，比如動(dòng)圈唱頭,、電容式話筒,、DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片、DAC解碼器,、CD機(jī),、有源前級(jí)放大器，等等,，都是低輸出電阻的,；也有大電阻的信號(hào)源的情況,，如無(wú)源前級(jí)、被動(dòng)音量控制,、電路中串聯(lián)大電阻的,，等等。 2）有輸入偏流取消電路,、失調(diào)電壓小的,， 就更好嗎？ 這往往是為了改善直流（DC）性能而增加的手段,，對(duì)于音頻應(yīng)用,，交流性能往往更為重要，而輸入偏流取消（或補(bǔ)償）電路,，會(huì)使運(yùn)放輸入差分對(duì)更容易工作在不對(duì)稱的狀態(tài),，從而無(wú)法完全取消共模噪聲、共模失真等,，給運(yùn)放的性能帶來不利影響,。舉例如Analog Devices公司的OP27和OP270（有輸入偏流取消電路），電壓噪聲指標(biāo)分別為3和3.2nV/√Hz,，低于Texas Instruments公司NE5532（無(wú)輸入偏流取消電路）的5nV/√Hz,，應(yīng)該有更低的噪聲。但是,，在有共模電壓出現(xiàn)的串聯(lián)負(fù)反饋電路中進(jìn)行測(cè)試,，它們的總諧波和噪聲（THD+N）性能卻劣于NE5532。 因此,，有輸入偏流取消電路的運(yùn)放,，雖然在有些場(chǎng)合使用是有利的（如直流耦合、直流伺服等）,，在作音頻信號(hào)處理時(shí)要作謹(jǐn)慎考慮,。 3）插拔更換運(yùn)放可以比較優(yōu)或劣嗎？ 運(yùn)放的引腳基本上是兼容的（分別對(duì)單運(yùn)放和雙運(yùn)放或其它）,，可以通過插拔分別試聽不同的運(yùn)放來比較聲音的不同或優(yōu)劣,。但是，很多情況下這樣的比較是不合理的,，這是因?yàn)檫\(yùn)放內(nèi)部設(shè)計(jì)的不同,，使用的條件，特別是補(bǔ)償電路的參數(shù)等要求,，也很可能各有不同,。不在最合理的條件下工作，運(yùn)放的性能很可能會(huì)受到限制,。再舉Texas Instruments公司的OPA637和OPA627和Analog Devices公司的OP37和OP27的例子,，其中OPA637和OP37 只能在放大倍數(shù)5倍或以上的電路中使用（穩(wěn)定）,，如果在小于這個(gè)放大倍數(shù)的電路中使用，性能無(wú)法保證,，很可能不能正常工作（相反OPA627和OP27可以）,。因此，就如此兩個(gè)系列的運(yùn)放（還有其它類似的運(yùn)放）,，雖然參數(shù)分別基本一致,，也是不能隨意互換使用的。 OPA637在放大電路增益等于或大于5時(shí)使用,，摘自“OPA637數(shù)據(jù)表” 4）價(jià)格越貴越好嗎？ BiFet工藝比單純BJT工藝更加復(fù)雜,，所以JFET輸入的運(yùn)放價(jià)格一般比BJT輸入的更貴。BJT輸入的運(yùn)放更適合于低輸入源電阻的電路,，JFET的則相反,，各有各的長(zhǎng)處，以及適合應(yīng)用發(fā)揮場(chǎng)合,。 另一個(gè)情況,，提高直流性能也是要有一定成本的，高精度的運(yùn)放也相對(duì)昂貴,。運(yùn)放在音頻應(yīng)用中對(duì)直流性能并不敏感,，因而付出的這代價(jià)可能得不到回報(bào)，有時(shí)還可能適得其反,，產(chǎn)生不利影響,。 因此，可按實(shí)際情況選用合適的運(yùn)放,，而非是價(jià)格越貴就越好,。 5）金屬、陶瓷比塑料封裝的更好嗎,？ 同一個(gè)型號(hào)不同封裝的運(yùn)放,，主要的性能指標(biāo)是基本一致的，沒有任何本質(zhì)的差別,。不同封裝只在有些參數(shù)上有微小的不同,，如熱阻、溫度變化等等,。至今,，沒有任何明確理論依據(jù)來證明哪個(gè)封裝的性能或聲音更好。 運(yùn)放常用封裝形式 6 小結(jié) 運(yùn)算放大器型號(hào)繁多,、技術(shù)手段多樣,。然而，只要電路設(shè)計(jì)合理,，運(yùn)放性能良好且能夠正常工作,，很多時(shí)候人耳是難以分辨出不同運(yùn)放的聲音差別的。非常何馬,，希望大家能理性看待,、合理使用運(yùn)放。作為模擬電路精彩世界的重要部分,，一篇文章是很難覆蓋運(yùn)放的方方面面,，遺漏、差錯(cuò)也一定難免,，歡迎大家補(bǔ)充,、指正。 頭條@非常何馬,，2021.04.15 參考資料： 【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】 文中各運(yùn)放官方“數(shù)據(jù)表”（略）,。 （文尾） |
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