运算放大器的输入级

答：因为存在着许多在不同应用中有重要意义的参数，而且由于所有这些参数不能同时加以优化的缘故。可以针对速度、噪声（电压、电流或二者）、输入失调电压及漂移、偏置电流及漂移、共模范围等来选择运算放大器，其它因素可能包括功率（输出、损耗或电源）、环境温度范围以及封装。不同的电路结构设计和制造工艺可以优化不同的性能参数。

问：在一些运算放大器的设计中存在任何共同的要素吗？

答：是的。大多数传统（电压输入）的运算放大器都是三级器件，包括一级带有差动输入和差动输出的输入级-具有很好的共模抑制特性；后面是有很高电压增益以及（一般地）一个单极点频率响应的差动输入、单端输出的输出级；最后是一级通常为单位电压增益的输出级。

问：那么差别在什么地方？

答：在这个基本设计上存在很多可能的变化，最基本的一点就是输入级的结构，这一级几乎总是一个差动放大器，也就是说，像下图中那样连接的一对放大器件。但是器件的选择对运算放大器的输入参数有着深远的影响。单片运算放大器具有用双极或场效应晶体管组合成的输入级。

用双极晶体管组合成的差动放大器如下图所示。其显著特点是它的低噪声，以及通过适当的修正而有很低的电压失调。此外，如果修正上述这一级以使失调电压为最小，那么它将固有最小的失调漂移。其主要缺点是由晶体管的射极和基极电流的比例造成的；如果为了使这一级有适当的带宽而使射极电流足够大，则基极电流-从而偏置电流将相对较大（在通用运算放大器中为50～1000nA，在高速运算放大器中高达10μA）。

反相和同相输入端的偏置电流是单向的，并且匹配良好（它们的差被称为失调电流），它们随着温度的升高略有降低。在很多应用中，对于那些偏置电流绝对值很大的情形，可以利用精确地匹配来补偿。下面表示的是一个基极补偿电路，其中同相输入端中的偏置电流流入RC（称为偏置补偿电阻）；它补偿由于反相输入端的偏置电流流过R2而产生的电压降。名义上让RC等于R1和R2的并联组合，通过修正它可以使由失调电流不为零而引起的误差减至最小。

这种偏置补偿只有当偏置电流匹配得很好时才是有用的，如果它们匹配得不好，偏置补偿电阻实际上可能会引入误差。

如果要求双极输入级没有这样一种大偏置电流的缺陷，可以靠芯片设计者采用不同的偏置补偿方式来实现（下图）。利用同样的差动放大器，但是每个基极所需要的电流的主要部分，由芯片上的电流产生器来提供。这样可以把外部的偏置电流降低到10nA或更低而不影响失调、温度漂移、带宽或电压噪声，偏置电流随温度的变化也相当低。

这样的结构存在两个缺点：增加了电流噪声，并且外部偏置电流不能很好地匹配（的确，实际上它们可能以相反的方向流动，或者随着芯片温度的变化而改变极性）。对于很多应用来说，这些特性是没有缺点的。确实，一种最流行的低失调运算放大器，比如OP-07，采用的正是这样一种结构。像采用这种结构的OP-27、OP-37以及AD707等具有可保证的失调电压仅15μV。当这种型号的偏置补偿放大器的数据表明确地给出双极性偏置电流，比如为±4.0nA时，它们通常是可看得出的。

在那些即使几纳安（毫微安）的偏置电流也是不能接受的地方，通常要用场效应器件代替双极晶体管。过去，MOSFET管用于运算放大器的输入级多少有点噪声干扰，不过现代工艺技术正在克服这个缺点。由于MOSFET也往往会引起比较高的失调电压，所以对于高性能的低偏置电流运算放大器应采用结型FET（JFET）管。典型的JFET运算放大器的输入级如下图所示。

　　JFET的偏置电流与流入器件的电流没有关系，所以即使宽带JFET放大器也可以有非常低的偏置电流－几十皮安（微微安）的值是很平常的。而AD549在室温下有低于60fA（每三微秒一个电子）的可保证的偏置电流。

"在室温下"这个限定条件是很关键的－JFET的偏置电流是它的栅极二极管的反向漏电流，而硅二极管的反向漏电流大约温度每上升10℃增长一倍。因此，JFET运算放大器的偏置电流对温度是不稳定的。的确，在25℃和125℃之间，JFET运算放大器的偏置电流增长超过1000倍，由于大多数MOSFET放大器的偏置电流是它们栅极保护二极管的漏流，所以同样的规律也适用于MOSFET放大器。

JFET放大器的失调电压在制造期间可以进行修正，但是最小失调未必与最小漂移相对应。在JFET运算放大器中，有必要分别调整失调和漂移，