4.4 集成运放的性能指标及低频等效电路

一、集成运放的性能指标

在考察集成运放的性能时，常用下列参数来描述：

1、开环差模增益 AodA_{od}Aod

在集成运放无外加反馈时的差模放大倍数称为差模开环增益，记作 AodA_{od}Aod。Aod=ΔuO/(uP−uN)A_{od}=\Delta u_O/(u_P-u_N)Aod=ΔuO/(uP−uN)，常用分贝（dB）表示，其分贝数为 20lg⁡∣Aod∣20\lg|A_{od}|20lg∣Aod∣。通用型集成运放的 AodA_{od}Aod 通常在 10510^5105 左右，即 100 dB 左右。F007C 的 AodA_{od}Aod 大于 94 dB。

2、共模抑制比 KCMRK_{CMR}KCMR

共模抑制比等于差模放大倍数与共模放大倍数之比的绝对值，即 KCMR=∣Aod/Aoc∣K_{CMR}=|A_{od}/A_{oc}|KCMR=∣Aod/Aoc∣，也常用分贝表示，其数值为 20lg⁡KCMR20\lg K_{CMR}20lgKCMR。
F007 的 KCMRK_{CMR}KCMR 大于 80 dB。由于 AodA_{od}Aod 大于 94 dB，所以 AocA_{oc}Aoc 小于 14 dB。

3、差模输入电阻 ridr_{id}rid

ridr_{id}rid 是集成运放对输入差模信号的输入电阻。ridr_{id}rid 愈大，从信号源索取的电流愈小。F007C 的 ridr_{id}rid 大于 2 MΩ。

4、输入失调电压 UIOU_{IO}UIO 及其温漂 dUIO/dT\textrm d\,U_{IO}/\textrm d\,TdUIO/dT

由于集成运放的输入级电路参数不可能绝对对称，所以当输入电压为零时，uOu_OuO 并不为零。UIO\pmb{U_{IO}}UIO 是使输出电压为零时在输入端所加的补偿电压，若运放工作在线性区，则 UIOU_{IO}UIO 的数值是 uIu_IuI 为零时输出电压折合到输入端的电压，即UIO=−UO∣uI=0Aod(4.4.1)U_{IO}=-\frac{U_O\big|_{u_I=0}}{A_{od}}\kern 50pt(4.4.1)UIO=−AodUOuI=0(4.4.1)UIOU_{IO}UIO愈小，表明电路参数对称性愈好。对于有外接调零电位器的运放，可以通过改变电位器滑动端的位置使得输入为零时输出为零。
dUIO/dT\textrm d\,U_{IO}/\textrm d\,TdUIO/dT 是 UIOU_{IO}UIO 的温度系数，是衡量运放温漂的重要参数，其值愈小，表明运放的温漂愈小。
F007C 的 UIOU_{IO}UIO 小于 2 mV，dUIO/dT\textrm d\,U_{IO}/\textrm d\,TdUIO/dT 小于 20 μV/℃。因为 F007C 的开环差模增益为 94 dB，约 5×1045\times10^45×104 倍；根据 uO=Aod(uP−uN)u_O=A_{od}(u_P-u_N)uO=Aod(uP−uN) 可知，在输入失调电压（2 mV）作用下，集成运放已工作在非线性区；所以，若不加调零措施，则输出电压不是 +UOM+U_{OM}+UOM，就是 −UOM-U_{OM}−UOM，而无法放大。

5、输入失调电流 IIOI_{IO}IIO 及其温漂 dIIO/dT\textrm d\,I_{IO}/\textrm d\,TdIIO/dT

IIO=∣IB1−IB2∣(4.4.2)I_{IO}=|I_{B1}-I_{B2}|\kern 55pt(4.4.2)IIO=∣IB1−IB2∣(4.4.2)IIOI_{IO}IIO 反映输入级差放管输入电流的不对称程度。dIIO/dT\textrm d\,I_{IO}/\textrm d\,TdIIO/dT 与 dUIO/dT\textrm d\,U_{IO}/\textrm d\,TdUIO/dT 的含义相类似，只不过研究对象为 IIOI_{IO}IIO。IIOI_{IO}IIO 和 dIIO/dT\textrm d\,I_{IO}/\textrm d\,TdIIO/dT 愈小，运放的质量愈好。
注：IB\pmb{I_B}IB 是静态基极电流。

6、输入偏置电流 IIBI_{IB}IIB

IIBI_{IB}IIB 是输入级差放管的基极（栅极）偏置电流的平均值，即IIB=12(IB1+IB2)(4.4.3)I_{IB}=\frac{1}{2}(I_{B1}+I_{B2})\kern 60pt(4.4.3)IIB=21(IB1+IB2)(4.4.3)IIBI_{IB}IIB 愈小，信号源内阻对集成运放静态工作点的影响也就愈小。而通常 IIBI_{IB}IIB 愈小，往往 IIOI_{IO}IIO 也愈小。

7、最大共模输入电压 UIcmaxU_{Icmax}UIcmax

UIcmaxU_{Icmax}UIcmax 是输入级能正常放大差模信号情况下允许输入的最大共模信号，若共模输入电压高于此值，则运放不能对差模信号进行放大。因此，在实际应用时，要特别注意输入信号中共模信号的大小。
F007 的 UIcmaxU_{Icmax}UIcmax 高达 ±13 V。

8、最大差模输入电压 UIdmaxU_{Idmax}UIdmax

当集成运放所加差模信号大到一定程度时，输入级至少有一个 PN 结承受反向电压，UIdmaxU_{Idmax}UIdmax 是不至于使 PN 结反向击穿所允许的最大差模输入电压。当输入电压大于此值时，输入级将损坏。运放中 NPN 型管的 b - e 间耐压值只有几伏，而横向 PNP 型管的 b - e 间耐压值可达几十伏。
F007C 中输入级采用了横向 PNP 型管，因而 UIdmaxU_{Idmax}UIdmax 可达 ±30 V。

9、-3 dB 带宽 fHf_HfH

fHf_HfH 是使 AodA_{od}Aod 下降 3 dB（即下降到约 0.707 倍）时的信号频率。由于集成运放中晶体管（或场效应管）数目多，因而极间电容就较多；又因为那么多元件制作在一小块硅片上，分布电容和寄生电容也较多；因此，当信号频率升高时，这些电容的容抗变小，使信号受到损失，导致 AodA_{od}Aod 数值下降且产生相移。
F007C 的 fHf_HfH 仅为 7 Hz。
应当指出，在实用电路中，因为引入负反馈，展宽了频带，所以上限频率可达数百千赫以上。

10、单位增益带宽 fcf_cfc

fcf_cfc 是使 AodA_{od}Aod 下降到零分贝（即 Aod=1A_{od}=1Aod=1，失去电压放大能力）时的信号频率，与晶体管的特征频率 fTf_TfT 相类似。

11、转换速率 SR

SR（Slew Rate：也称为压摆率）是在大信号作用下输出电压在单位时间变化量的最大值，即SR=∣duOdt∣max(4.4.4)SR=\Big|\frac{\textrm d\,u_O}{\textrm d\,t}\Big|_{max}\kern 60pt(4.4.4)SR=dtduOmax(4.4.4)SR 表示集成运放对信号变化速度的适应能力，是衡量运放在大幅值信号作用时工作速度的参数，常用每微秒输出电压变化多少伏来表示。当输入信号变化斜率的绝对值小于 SR 时，输出电压才能按线性规律变化。信号幅值愈大、频率愈高，要求集成运放的 SR 也就愈大。
在近似分析时，常把集成运放的参数理想化，即认为 AodA_{od}Aod、KCMRK_{CMR}KCMR、ridr_{id}rid、fHf_HfH 等参数值均为无穷大，而 UIOU_{IO}UIO 和 dUIO/dT\textrm d\,U_{IO}/\textrm d\,TdUIO/dT、IIOI_{IO}IIO 和 dIIO/dT\textrm d\,I_{IO}/\textrm d\,TdIIO/dT、IIBI_{IB}IIB等参数值均为零。

二、集成运放的低频等效电路

在分立元件放大电路的交流通路中，若用晶体管、场效应管的交流等效模型取代管子，则电路的分析与一般线性电路完全相同。同理，如果在集成运放应用电路中用运放的等效模型取代运放，那么电路的分析也将与线性电路完全相同。但是，如果在运放电路中将所有管子都用其等效模型取代去构造运放的模型，那么势必使等效电路非常复杂。例如 F007 电路中有 19 只晶体管，在计算机辅助分析中，若采用 EM2 模型，每只管子均由 11 个元件构成，则 19 只管子共有 11×19=20911×19=20911×19=209 个元件，可以想象电路的复杂程度。因此，人们常构造集成运放的宏模型，即在一定的精度范围内，构造一个等效电路，使之与运放（或其它复杂电路）的输入端口和输出端口的特性相同或相似。分析的问题不同，所构造的宏模型也有所不同。
图4.4.1所示为集成运放的低频等效电路，对于输入回路，考虑了差模输入电阻 ridr_{id}rid、偏置电流 IIBI_{IB}IIB、失调电压 UIOU_{IO}UIO 和失调电流 IIOI_{IO}IIO 等四个参数；对于输出回路，考虑了差模输出电压 uOdu_{Od}uOd，共模输出电压 uOcu_{Oc}uOc 和输出电阻 ror_oro 等三个参数。显然，图示电路中没有考虑管子的结电容及分布电容、寄生电容等的影响，因此，只适用于输入信号频率不高情况下的电路分析。
如果仅研究对输入信号（即差模信号）的放大问题，而不考虑失调因素对电路的影响，那么可用简化的集成运放低频等效电路，如图4.4.2所示。这时，从运放输入端看进去，等效为一个电阻 ridr_{id}rid；从输出端看进去，等效为一个电压 uIu_IuI （即 uP−uNu_P-u_NuP−uN）控制的电压源 AoduIA_{od}u_{I}AoduI，内阻为 ror_oro。若将集成运放理想化，则 rid=∞r_{id}=\inftyrid=∞，ro=0r_o=0ro=0。