17. 如何理解模拟集成电路模块系列之一：运算放大器？

大家好！从这一讲开始我们将进入道对模拟模块电路设计的讲解，前面在第十三讲中，我们将模拟模拟电路分为了三大类模块电路，二十一类模块电路，十三个子类模块电路；如果有同学不知道，请出面左转找到我的模拟集成电路设计入门30问的第十三讲就可以看到。我会从中选取比较有代表性的十四个模块来进行讲解，让大家对基本的模拟集成电路模块设计有一个初步的认识和理解。

今天我将先聊聊模拟集成电路设计中最常见的模块：运算放大器，OPAMP；我可以毫不夸张的说，在我们碰到的中等规模以上的模拟集成电路中99%都会包含运算放大器，它是我们在进行模拟集成电路设计中必然会碰到的，也是其他模块的基础，所以只有设计好运算放大器，才能说可以开始设计其他模拟集成电路模块了。

对于模块的设计，我这边不会对设计的方法进行讲解，因为这些在我的第六、第七讲中已经有讲解，大家可以自己去学习。这里我主要是想从两个方面对模块电路进行讲解，它们是电路结构和性能参数，以便让大家对电路模块有一个更加深入的了解。

从电路结构方面，一般来说，我会将运算放大器分为五部分电路，它们分别是输入级、中间级、输出级、偏置电路、补偿电路。其中输入级是运算放大器的信号处理第一级，它的特点是等效输入电阻无穷大，等效输入电容小；大家可以知道，作为第一个特点在现实世界是不可能的。即使现在我们采用了MOS管作为输入器件，其电阻达到了M欧姆级，但仍然无法达到无穷大，我们只是近似认为它是无穷大。而等效输入电容则是由于有输入电阻的存在，从而需要考量在输入节点上的频率特性，因为这个节点也在传输函数的极点上，它不能成为传输函数上的主极点。

信号处理的第二级是中间级，它的作用是承前启后，同时也有一部分的放大功能；有些简单的运算放大器是将中间级和输出级合并，这样整体的运算放大器的增益就属于中低增益的运算放大器。一般而言，中间级的输出特性比较重要，因为它需要调整输入级的输出电平到一个合适电位，从而可以更好的驱动输出级的输入器件；而且它也不能成为传输函数上的主极点。

信号处理的最后一级是输出级，它的作用是对运算放大器的负载进行一个有效的驱动，所以其输出电阻一般较低，这样才能具有较好的驱动能力。一般来说，这一级的增益较低，而且主极点一般在这一级，所以输出级需要更加仔细的设计，避免主极点偏移到不合适的位置，从而导致整个信号处理链路出现不稳定的情况。

偏置电路是运算放大器的非信号处理模块，它的功能是为其他四个部分的电路提供电流或者电压的偏置，从而让其他电路工作在合适的直流工作点上；所以偏置的稳定性就决定了其他电路的直流工作点的稳定性。一般来说，偏置电路的输出会采用RC滤波的方式进行，而且如果在版图上，偏置电路的输出端距离其他电路较远，那么最好选择电流偏置输出，而不采用电压偏置输出。（具体什么原因，可以最为一个问题让大家思考一下）

最后一个部分是补偿电路，这个补偿电路不是运算放大器应用时的外围环路，而是指的在偏置电路和信号处理级中所使用的为了补偿电路设计和制造时的不对称而进行的非对称处理，从而实现运算放大器中需要对称电路的地方实现比较完美的对称，有些补偿电路会此采用负反馈的方式，它在增强整个运算放大器的一致性上有着重要的作用。

讲完电路结构，我下面来谈谈性能参数，一般来说模块电路的性能参数主要分为四个类型：输入特性、输出特性、交流特性、极限特性。

对应运算放大器而言，其中输入特性包含如下性能参数：输入失调电压、输入失调电压温漂、输入偏置电流、输入失调电流、共模电压输入范围；输出特性包含的性能参数：输出动态范围特性、输出电流特性；交流特性包含的性能参数：压摆率、增益带宽积、开环增益、共模信号抑制比、电源纹波抑制比、噪声密度；极限特性包含的性能参数：最大工作电压、共模输入电压、差模输入电压、工作温度范围、输入电流。可以看到，如果我们需要对一个运算放大器模块电路进行性能描述，需要十八个参数进行描述。这些参数大家可以在其他的参考书中找到相关的定义和计算公式，我这边就不多说了。

好，总结一下。这一讲我从运算放大器的五个电路部分，输入级、中间级、输出级、偏置电路、补偿电路和十八个性能参数，输入失调电压、输入失调电压温漂、输入偏置电流、输入失调电流、共模电压输入范围、输出动态范围特性、输出电流特性、压摆率、增益带宽积、开环增益、共模信号抑制比、电源纹波抑制比、噪声密度、最大工作电压、共模输入电压、差模输入电压、工作温度范围、输入电流进行了讲解。希望能对大家有所帮助。