集成运放的主要技术指标

集成运放的输入级通常由差分放大电路组成，因此一般具有两个输入端以及一个输出端，还有其他以连接电源电压等的引出端。两个输入端中，一个与输出端为反相关系，另一个为同相关系，分别称为反相输入端和同相输入端。 运算放大器的符号如下图所示。其中反相输入端和同相输入端分别用符号“－”和“＋”标明。


为了描述集成运放的性能，提出了许多项技术指标，现将常用的几项分别介绍如下： 一、开环差模电压增益Aod
Aod是指运放在无外加反馈情况下的直流差模增益，一般用对数表示，单位为分贝。Aod是决定运放精度的重要因素，理想情况下希望Aod为无穷大。实际集成运放一般Aod为100dB左右，高质量的集成运Aod可达140dB以上。
二、输入失调电压U10
它的定义是，为了使输出电压为零，在输入端所需要加的补偿电压。其数值表征了输入级差分对管UBE（或场效应管UGS）失配的程度，在一定程度上了反映温漂的大小。一般运放的U10值为1～10mV，高质量的在1mV以下。
三、输入失调电压温漂ΑU10
它表示失调电压在规定工作范围内的温度系数，是衡量运放漂的重要指标。一般运放为每度10～20μV，高质量的低于每度0.5μV。这个指标往往比失调电压更为重要，因为可以通过调整电阻的阻值人为地使失调电压等于零，便却无法将失调电压的温漂调至零，甚至不一定能使其降低。
四、输入失调电流I10
输入失调电流的定义是当输出电压等于零时，两个输入端偏置电流之差，即
I10=|IB1-IB2|      （4．4．3）
用以描述差分对管输入电流的不对称情况，一般运放为几十至一百纳安，高质量的低于1nA。
五、输入失调电流温漂αI10
它代表输入失调电流的湿度系数。一般为每度几纳安，高质量的只有每度几十皮安。
六、输入偏置电流IIB
IIB定义是当输出电压等于零时，两个输入端偏置电流的平均值，这是衡量分对管输入电流绝对值大小的指标，它的值主要决定于集成运放输入级的静态集电极电流及输入级放大管的β值。一般集成运放的输入偏置电流愈大，其输入偏置电流约为几十纳安至1μA，场效应管输入级的集成运放，输入偏置电流在1nA以下。
七、差模输入电阻rid
它的定义是差模输入电压UId与相应的输入电流IId的变化量之比，用以衡量集成运放向信号源索取电流的大小。一般集成运放的差模输入电阻为几兆欧，以场效应管作为输入级的集成运放，Rid可达106MΩ。
八、共模抑制比KCMR
共模抑制比的定义是开环差模电压增益与开环共模电压增益之比，一般也用对数表示，这个指标用以衡量集成运放抑制温漂的能力。多数集成运放的共模抑制比在80dB以上，高质量的可达160dB。
九、最大共模输入电压UIcm
表示集成运放输入端所能随的最大共模电压。如果超过此值，集成运放的共模抑制性能将显著恶化。
十、最大共模输入电压UIdm
这是集成运放反相输入端与同相输入端之间能够承受的最大电压。若超过这个限度，输入级差分对管中的一个管子的发射结可能被反向击穿。
十一、－3dB带宽?H
表示Aod下降3dB时的频率。一般集成运放的?H值较低，只有几赫至几千赫。
十二、单位增益带宽BWG
指Aod降至0dB时的频率，即此时开环差模电压放大倍数等于1。BWG衡量集成运放的一项重要品质因素――增益带宽积的大小。
十三、转换速率SR
转换速率是指在额定负载条件下，输入一个大幅度的阶跃信号时，输出电压的最大变化率。单位为V／μS。这个指标描述集成运放对大幅度信号的适应能力。在实际工作中，输入信号的变化率一般不要大于集成运放的SR值。
除了以上介绍的几项主要技术指标外，还有很多项其他指标，如最大输出电压、静态功耗及输出电阻等等，由于它们的含义比较明显，故此外不再赘述。 
4．4．1 理想运放的技术指标 
在分析集成运放的各种应用电路时，常常将其中的集成运放看成是一个理想运算放大器。所谓理想运放就是将集成运放的各项技术指标理想化，即认为集成运放的各项指标为：
开环差模电压增益Aod＝∞；
差模输入电阻rid＝∞；
输出电阻r。＝0；
共模抑制比KCMR＝∞；
输入失调电压U10、失调电流I10以及它们的温漂αU10、αI10均为零；
输入偏置电流IIB＝0；
－3dB带宽?H＝∞，等等。
实际的集成运算放大器当然不可能达到上述理想化的技术指标。但是，由于集成运放工艺水平的不断改进，集成运放产品的各项性能指标愈来愈好。因此，一般情况下，在分析估算集成运放的应用电路时，将实际运放视为理想运放所造成的误差，在工程上是允许的。
在分析运放应用电路的工作原理时，运用理想运放的概念，有利于抓住事物的本质，忽略次要因素，简化分析的过程。在随后几章的分析中，如无特别的说明，均将集成运放作为理想运放来考虑。 
 
4．4．2 理想运放工作在线性区时的特点
在各咱应用电路中，集成运放的工作范围可能有两种情况：工作在线性区或工作在非线性区。当工作在线性区时，集成运放的输出电压与其两个输入端的电压之间存在着线性放大关系，即
uO=Aod(u+—u-)      （4．5．1）
式中uO是集成运放的输出端电压；u+和u-分别是其同相输入端和反相输入端电压；Aod是其开环差模电压增益。
如果输入端电压的幅度比较大，则集成运放的工作范围将超出线性放大区域而到达非线性区，此时集成运放的输出、输入信号之羊将不满足式（4．5．1）所示的关系式。
当集成运放分别工作在线性区或非线性区时，各自有若干重要的特点，下面分别进行讨论。
理想运放工作在线性区时有两个重要特点：
1．理想运放的差模输入电压等于零
由于运放工作在线性区，故输出、输入之间符合式（4．5．1）所示的关系式。而且，因理想运放的Aod＝∞，所以由式（4．5．1）可得
即              u+＝u－
上式表示运放同相输入端与反相输入端两点的电压相等，如同将该两点短路一样。但是该两点实际上并未真正被短路，只是表面上似乎短路，因而是虚假的假路，所以将这种现象称为“虚短”。
实际的集成运放Aod≠∞，因此u+与u－不可能完全相等。但是当Aod=10V时，若Aod=105，则u+－u－＝0.1mV；若Aod＝107，则u+－u－＝1μV。可见在一定的uO值之下，集成运放的Aod愈大，则u+与u－差值愈小，将两点视为“虚短”的带来的误差也愈小。
2．理想运放的输入电流等于零
由于理想运放的差模输入电阻rid＝∞，因此在其两个输入端均没有电流。此时，运放的同相输入端的电流都等于零，如同该两点被断开一样，这种现象称为“虚断”。
“虚短”和“虚断”是理想运放工作在线性区时的两点重要结论。这两点重要结论常常作为今后分析许多运放应用电路的出发点，因此必须牢牢掌握。
4．4．3 理想运放工作在非线性区时的特点
如果运放的工作信号超出了线性放大的范围，则输出电压不再随着电压线性增长，而将达到饱和，集成运放的传输特性。
理想运放工作在非线性区时，也有两个重要的特点：
1．理想运放的输出电压UO的值只有两种可能：或等于运放的下向最大输出电压＋UOPP，或等于其负向最大输出电压－UOPP。
当u+＞u－时，uO＝＋UOPP
当u+＜u－时，uO＝－UOPP
在非线性区内，运放的差模输入电压（u+－u－）可能很大，即u+≠u－。也就是说，此时，“虚短”现象不复存在。
2．理想运放的输入电流等于零
在非线性区，虽然运放两个输入端的电压不等，即u+≠u－，但因为理想运放的rid＝∞，故仍认为此时的输入电流等于零，
实际的集成运放Aod≠∞，因此当u+与u－差值比较小，能够满足关系Aod（u+－u－）＜UOPP时，运放应该仍然工作在线性范围内，实际运放的伟输特性如图4．5．2中虚线所示。但因集成运放的Aod值通常很高，所以线性放大的范围很小。
如上所述，理想运放工作在线性区或非线性区时，各有不同的特点。因此，在分析各种应用电路的工作原理时，首先必须判断其中的集成运放究竟工作在哪个区域。
集成运放的开环差模电压增益Aod通常很大，如不采取适当措施，即使在输入端加上一个很小的电压，仍有可能使集成运放超出线性工作范围。为了保证集成运放工作在线性区，一般情况下，必须在电路中引入深度负反馈，以减小直接施加在集成运放两个输入端的净输入电压。关于负反馈，将在本书第五章进行介绍
4．5．1 集成运放参数的测试 
当选定集成运放的产品型号后，通常只要查阅有关器件手册即可得到各项参数值，而不必逐个测试。但是手册中给出的往往只是典型值，由于材料和制造工艺的分散性，每个运放的实际参数与手册上给定的典型值之间可能存在差异，因此有时仍需要对参数进行测试。
参数的测试可以采用一些简单的电路和方法手工进行。在成批生产或其他需要大量使用集成运放的场合，也可以考虑利用专门的参数测试仪器进行自动测试。
参数的测试可以采用一些简易的电路和方法手工进行。在成批生产或其他需要大量使用集成运放的场合，也可以考虑利用专门的参数侧试仪器进行自动测试。集成运放各项参数具体测试方法请参阅有关文献，此处不再赘述。
 
4．5．2 使用中可能出现的异常现象
将集成运放与外电路接好并加上电源后，有时可能出现一些异常现象。此时应对异常现象进行分析，找出原因，采取适当措施，使电路正常工作。常见的异常现象有以下几种：
1．不能调零
有时当输入电压为零时，集成运放的输出电压调不到零，可能输出电压处于两个极限状态，等于正的或负的最大输出电压值。
出现这种异常现象的原因可能是：调零电位器不起作用；应用电路接线有误或有虚焊点；反馈极性接错或负反馈开环；集成运放内部已损坏等等。如果关断电源后重新接通即可调零，则可能是由于运放输入端信号幅度过大而造成的“堵塞”，可在运放输入端加上保护措施。具体办法将在本节后面介绍。
2．漂移现象严重
如果集成运放的温漂过于严重，大大超过手册规定的数值，则属于不正常现象。
造成漂移过于严重的原因可能是：存在虚焊点；运放产生自激振荡或受到强电磁场的干扰；集成运放靠近发热元件；输入回路的保护二极管受到光的照射；调零电位器滑动端接触不良；集成运放本身已损坏或质量不合格等等。
3．产生自激振荡
自激振荡是经常出现的异常现象，表现为当输入信号等于零时，利用示波器可观察到运放的输出端存在一个频率较高，近似为正弦波的输出信号。但是这个信号不稳定，当人体或金属物体靠近时，输出波形将产生显著的变化。
产生自激振的原理将在本书第五章5．4节进行介绍。常用的消除自激振荡的措施主要有：按规定部位和参数接入校正网络；防止反馈极性接错，避免负反馈过强；合理安排接线，防止杂散电容过大等等。