电子工程师手记：运算放大器选择指南

我们的电子设计需要使用到运算放大器时，往往会有非常多型号可供选择。有些运算放大器是通用型的，适合许多常见应用。而有些运算放大器的设计参数则在某些特定领域（比如音频）具有更高的利用价值。在使用运放设计电路时，必须根据规格书选择合适的型号，以求以最佳的成本获得最佳的性能。

本手记以DIOO Microcircuits出品的通用型运放DIO2031为例，教大家如何判读规格书中的各种参数，为自己的项目选取最合适的运算放大器。

运算放大器的工艺技术

目前有三种主流的运算放大器制造工艺，其中以双极性（bipolar）和互补式金属氧化物半导体（CMOS）为多。使用结型场效应管（JFET）的产品较少。

Bipolor型运算放大器由于使用的是NPN这种“电流控制型”元件，因此它的输入电流也较大。CMOS和JFET型运算放大器由于使用的是MOSFET和JFET这种“电压控制性”元件，对输入端的电流要求也较低，故而输入电流较低。

使用Bipolar工艺的运算放大器可以工作在较高的工作电压下而且频率也更高，而CMOS工艺的运算放大器价格更低。

通常Bipolar工艺的失调电压（见下文运算放大器术语一节）较低，而且由温度带来的本征漂移也较稳定。

从DIO2031规格书的标题我们可以看出，这是一款采用CMOS工艺的运算放大器。

什么是Rail-to-Rail

在运算放大器的规格书中，我们也常常看到rail-to-rail和single supply两种供电方式。

Rail-to-rail，中文一般翻译为“轨到轨”或者“满摆幅”，意味着运算放大器的输入和输出可以接近运算放大器的正电源和负电源。这两个rail，指的就是运算放大器的两个电源轨+V_S和-V_S。

当然，实际的运算放大器也无法真正实现满摆幅输出，还是会比电源电压小一点。DIO2031就是一款轨到轨运算放大器，从下图的规格书中我们可以看出，在负载600Ω时，它的最高输出比电源低100mV。而负载10kΩ时，它的最高输出只比电源低15mV。

相应的，还有另外一种单电源供电的运算放大器，其输出在电源与地之间的某一范围变化，无法接近V_S。这种运算放大器现在使用的越来越少。

运算放大器术语

失调电压(V_OS)

理想情况下，如果一个运放的两个输入都是完全相同的电压，那么输出应该是零。在实际情况中，必须对输入端施加一个小的差分电压，以强制执行输出为零。这就是所谓的输入偏移电压（input offset voltage），又称失调电压。失调电压的值依工艺和设计技术而异。

失调电流(I_OS)

失调时两个输入电流之差。

共模电压范围(CMVR)

也称为输入电压范围(Common Mode Voltage Range, CMVR)，是两个输入端允许的输入电压范围，如果超过此范围，输出将发生削波或过大非线性现象。

共模抑制比(CMRR)

共模电压范围(Common Mode Rejection Ratio, CMVR)与此范围内的输入失调电压(ΔVo_OS)变化的比值，结果用dB表示。CMRR (dB) = 20log (CMVR/ΔV_OS)。这个值越大越好。

输入偏置电流(I_B)

输入运算放大器两个引脚的电流。通常CMOS或JFET工艺的输入偏置电流都很低。

开环增益(A_OL)

Open Loop Voltage Gain，即输出电压与两个输入引脚之间的比值，结果用dB表示。通常规格书上只写出了直流时的增益，但对于许多应用，如视频和RF所用的高速放大器等，增益的频率相关性也很重要。

输入偏置电压漂移(ΔV_OS/ΔT)

Input Offset Voltage Drift，是一个与温度相关的量，用来表征温度变化时V_OS的变化。

输出电流(I_OUT)

Output current，运算放大器输出端能提供的最大电流。电流由运算放大器的电源端提供。

闭环输出阻抗(Z_O或R_O)

Closed loop Output Impedance，理想运算放大器的闭环输出阻抗为零，意思是不管运算放大器的外部负载消耗多少电流，在运算放大器内部都没有任何压降。实际运算放大器还是存在一定输出阻抗，因此运算放大器的输出电流会在Z_O上产生一定的压降。显然，规格书上的闭环阻抗值应该越低越好。常见通用运放的闭环阻抗在50Ω到100Ω左右，DIO2031的闭环阻抗仅为2.6Ω。

增益带宽积(GBW)

Gain–bandwidth product(GBWP, GBW, GBP 或GB)，是指指一个放大器带宽以及其相应增益的乘积。

电源抑制比(PSRR)

Power supply rejection ratio(PSRR)，用来描述运算放大器对来自电源的噪声的抑制能力，通常用dB表示。这个值也是越大越好。

压摆率(SR)

Slew Rate(SR)，用来描述在大信号条件下，输出电压变化的最大速率，结果通常用V/µs表示。这个值也是越大越好。

建立时间(t_s)

Setting Time，也称稳定时间，用来描述施加一个阶跃输入后，放大器建立至某一预定的精度水平或输出电压百分比所需的时间。这个值越小越好。

电源电流(I_S)

Supply Current，运算放大器空载工作时电源电压需提供的电流。

电压噪声密度(e_n)

Voltage Noise Density，指每平方根赫兹的有效(RMS) 噪声电压（通常单位为nV/√Hz）。一般来说，采用Bipolar工艺的电压噪声密度最好，其次是JFET，最后是CMOS工艺。

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参考资料：