“本文假設(shè)你對運放的工作原理有一定了解；如果需要復(fù)習(xí),可以先閱讀之前關(guān)于信號放大的文章：信號放大基礎(chǔ)。”

模擬電路設(shè)計中最常見的范式就是復(fù)制粘貼。簡單的類比并不足以充分解釋晶體管和運放的行為，而大多數(shù)學(xué)術(shù)教科書又晦澀難懂。 話雖如此，對于運放電路而言，這種習(xí)慣的后果已經(jīng)變得有些滑稽。互聯(lián)網(wǎng)上充斥著過時的設(shè)計，仍在使用 1968 年開發(fā)的LM741：一個冷戰(zhàn)時期的產(chǎn)物。這個芯片70年代的"兄弟們" - TL071和LM324/LM358 - 的情況也好不到哪去。更糟糕的是，這種奇特的現(xiàn)狀現(xiàn)在還被 AI 生成的內(nèi)容所支撐，比如 "2024年十大運放(更新版)"之類的文章。

實際上，放大器技術(shù)在過去五十年取得了巨大進(jìn)步。現(xiàn)代芯片表現(xiàn)更可預(yù)測，使用更方便。例如，它們擺脫了 LM741 的輸入電壓限制，或 LM324 的相位反轉(zhuǎn)和交越失真問題：

LM324輸出交越失真。來自舊的National Semiconductor數(shù)據(jù)手冊。

長話短說，如果你正在設(shè)計新的運放電路，這里有一些不錯的、21世紀(jì)生產(chǎn)的通用型替代品：

Microchip MCP6272：2 MHz帶寬， RRIO， 2-6V， 25mA

Microchip MCP6022：10MHz， RRIO， 2.5-5.5V， 20mA

Texas Instruments OPA2323：20MHz， RRIO， 1.7-5.5V， 65mA ()

Texas Instruments TLV3542：100MHz， RRIO， 2.5-5.5V， 100mA

Texas Instruments OPA2356：200MHz， RR輸出， 2.5-5.5V， 60mA

前兩款芯片有直插(PDIP-8)封裝。其余的采用 SOIC-8 封裝，這是一種用戶友好的封裝形式，可以輕松焊接到價格實惠的轉(zhuǎn)接板上。它們是合理的低成本選擇。

如果我已經(jīng)引起了你的注意，請繼續(xù)閱讀，了解選擇通用放大器IC時需要注意的要點。

基本直流特性

運放最基本的參數(shù)是其供電電壓范圍，其次是最大輸出電流。這些參數(shù)通常在數(shù)據(jù)手冊的開頭就有注明。 但故事并未到此為止。許多早期器件要求信號要遠(yuǎn)離供電軌；例如，LM741需要 2-3V 的裕度(headroom)。不符合這個規(guī)格的信號會被削波或產(chǎn)生更糟的情況。因此，這些IC通常需要使用雙電源供電：例如，在本來只需要 +5V 的電路中使用 ±15V 電源。 如今，有大量運放可以在單電源 3.3V 或 5V 電路中工作。許多中端器件可以輸出接近全范圍的供電電壓，通常只比供電軌少 20 到 100mV。這類器件被稱為軌到軌輸出(RRO)。如有疑問，可以查看數(shù)據(jù)手冊中的"共模輸入范圍"或類似參數(shù)。 同樣地，相當(dāng)多的器件接受略低于下軌的輸入電壓，有些甚至可以略高于上電源電壓。這減少了對復(fù)雜偏置的需求，在數(shù)據(jù)手冊中表示為"輸出擺幅"(output swing)。同時具備全范圍輸入和輸出的運放被描述為具有軌到軌 I/O(RRIO)。

應(yīng)該指出，這種便利是要付出一點代價的。實現(xiàn)軌到軌輸入最常見的內(nèi)部設(shè)計涉及兩個互補輸入級 - 例如，p溝道和n溝道FET。一個級處理大部分輸入范圍，但在接近正電源軌時另一個級接管。由于制造工藝的限制，這些級不可能完全匹配，所以當(dāng)共模輸入電壓跨過交接點時，輸入失調(diào)電壓(VOS)會有輕微變化：

一組TLV9002運放，正電源在2.75V。來自TI規(guī)格。

根據(jù)你的應(yīng)用，這種效應(yīng)可能會影響線性度，特別是在高精度儀器中。不過，一些最新的運放設(shè)計 - 如前面提到的OPA2323 - 使用內(nèi)置DC-DC轉(zhuǎn)換器(電荷泵)產(chǎn)生更高的內(nèi)部參考電壓，從而消除了對這種架構(gòu)的需求。

大多數(shù)情況下，運放的 Vin+ 和 Vin- 電壓大致相同，有些器件將此作為明確的輸入約束。例如，OPA1656 在輸入端有保護(hù)二極管，所以當(dāng)電壓差超過約±600mV 時，這些引腳會變?yōu)榈妥杩梗?/p>

OPA1656架構(gòu)細(xì)節(jié)。來自數(shù)據(jù)手冊。

不過，大多數(shù)器件，包括本文前面推薦的芯片，應(yīng)該不受這個限制。

輸入級：FET vs 雙極性

標(biāo)準(zhǔn)運放有兩種基本輸入類型：雙極性和場效應(yīng)(FET)。因為 FET 輸入的行為更直觀，而且這類芯片正在成為主流，我建議堅持使用這個選項，除非你有特殊需求。 FET輸入級的主要優(yōu)點是在DC時具有始終如一的高阻抗，消除了雙極性設(shè)計的一些陷阱。代價是與分立場效應(yīng)晶體管一樣，輸入有一些不可忽視的電容 - 通常在2-4pF左右。在較高頻率下，可能需要考慮這種電容的影響。在這種情況下，你可能還需要注意PCB和反饋環(huán)路中的寄生效應(yīng)。

與 FET 相比，雙極性輸入級只有在 Vin- 等于 Vin+ 時才有相對較高的阻抗。如果電壓發(fā)生偏差，阻抗就會開始下降 - 可能一直降到幾千歐姆(!)。另一方面，雙極性運放可以有更低的輸入電容，這在處理高速信號時可能是一個優(yōu)勢。

頻率響應(yīng)

運放最重要的 AC 參數(shù)被稱為增益帶寬積(fGBP 或 fGBWP)。標(biāo)準(zhǔn)的、完全補償?shù)钠骷O(shè)計為具有隨信號頻率成比例衰減的內(nèi)部增益。在 fGBP 時，這個增益降低到 1：

增益-頻率圖(對數(shù)刻度)的示例

差分增益的本質(zhì)在入門文章中經(jīng)常被誤解。如前所述，運放不關(guān)心絕對輸入電壓或你試圖在任何單個輸入引腳和 Vout 之間維持的關(guān)系。理論上，這種"單端"信號增益很自由的，可以任意高。 實際上，在具有兩個反饋電阻的傳統(tǒng)電壓-電壓電路的特定情況下，可達(dá)到的最大信號增益(主要)等于 fGBP 除以輸入頻率。如果這是你要構(gòu)建的架構(gòu)，應(yīng)該選擇 IC 以在預(yù)期信號頻率下保持足夠的增益。

相關(guān)的考慮因素是放大器的壓擺率：輸出電壓的最大上升和下降時間。它以 V/μs 等單位給出，應(yīng)該根據(jù)所需的輸出擺幅進(jìn)行交叉檢查。如果速率太低，即使在帶寬規(guī)格內(nèi)，輸出也可能失真或衰減。

大多被夸大的問題：內(nèi)部噪聲

FET 放大器的性能通常受兩類噪聲支配：由于晶體管偏置電流隨機變化導(dǎo)致的低頻"閃爍"波動以及在芯片頻率范圍內(nèi)均勻分布的寬帶熱噪聲：

閃爍(<1kHz)和熱(>1kHz)噪聲，MCP6022。

這個圖中奇特的 nV/√Hz 單位是"噪聲密度"。要獲得 RMS 噪聲電壓，可以將該數(shù)值乘以電路通過的帶寬的平方根。例如，如果芯片規(guī)格為 eN = 5 nV/√Hz，且你的設(shè)計帶寬為100kHz，RMS 電壓計算出約為~1.6μV。峰峰值從技術(shù)上講是無法確定的 - 但實際上，如果將 RMS 數(shù)值乘以6，你可以很好地近似在示波器屏幕上看到的內(nèi)容。 這個經(jīng)驗?zāi)Ｐ褪禽斎攵说刃У牡模阂簿褪钦f，這是你在理想放大器輸入上有一個假設(shè)的電壓噪聲源時會看到的情況。在標(biāo)準(zhǔn)電壓-電壓架構(gòu)中，計算出的噪聲大致按照電阻配置的信號增益被放大。在跨阻(電流-電壓)電路中，噪聲放大在DC 附近并不重要，但最終在較高頻率下達(dá)到峰值，因為輸入電容與反饋電阻形成電壓分壓器。 在業(yè)余設(shè)計中這通常都是過度關(guān)注的原因是，大多數(shù)現(xiàn)代運放都有不錯的規(guī)格，通常在 1kHz 以上約為10 nV/√Hz。這比單個10kΩ電阻貢獻(xiàn)的熱噪聲還要小。換句話說，除非你采取重大措施來控制其他來源，否則運放在這方面的性能很少是主要問題。

公平地說，高速(100MHz+)放大器(如TLV3542或OPA2356)的低頻閃爍波動往往更差。因此，如果你對低頻信號感興趣，較慢的運放是更好的選擇。在完全不能容忍直流漂移的傳感應(yīng)用中，專門的閃爍補償("零漂移")器件 - 如OPA2388 - 也值得一試。

不用擔(dān)心的事項

數(shù)據(jù)手冊中的大多數(shù)其他參數(shù)通常可以一帶而過。例如，開環(huán)增益(AOL)的確切值幾乎從來都不是真正的問題；輸入失調(diào)電壓(VOS)也是如此。無論如何，這些參數(shù)在大多數(shù)規(guī)格中通常只是粗略估計 - 所以如果你在構(gòu)建高精度儀器，仍然需要使用已知參考來校準(zhǔn)讀數(shù)。 其他特性可能很重要，但在其類別內(nèi)的不同設(shè)計之間變化不大。特別是，現(xiàn)代運放具有相當(dāng)不錯的電源紋波抑制比(PSRR)和良好的共模電壓抑制(CMRR) - 但要注意之前提到的 RRIO 問題。

原文參考：https://lcamtuf.substack.com/p/choosing-an-op-amp-for-your-project，并經(jīng)過校驗、翻譯。

注意：如果想第一時間收到 KiCad 內(nèi)容推送，請點擊下方的名片，按關(guān)注，再設(shè)為星標(biāo)。

常用合集匯總：

和 Dr Peter 一起學(xué) KiCad

KiCad 8 探秘合集

KiCad 使用經(jīng)驗分享

KiCad 設(shè)計項目（Made with KiCad）

常見問題與解決方法

KiCad 開發(fā)筆記

插件應(yīng)用

發(fā)布記錄

審核編輯 黃宇