近年来以电池作为电源的便携式电子产品得到广泛使用，迫切要求采用低电压的芯片来降低功耗在低压供电条件下， 为了提高运放的信噪比、输入共模电压范围及信號动态输出幅度 最好是能做到轨对轨。的输出较容易实现轨对轨 但在输入端实现轨对轨是比较复杂的， 原则上只能是折叠式共源共栅結构才能使输入端包含电源电压的轨 这种技术是实现所有轨对轨输入放大器的基础。
输入级采用控制的三倍电流镜法 输出级采用浮动電流源控制的前馈甲乙类输出级， 该电路结构可以克服直接将轨对轨输入级、求和电路、甲乙类输出级相连的缺点 提高了运放的增益， 使输出管的静态电流不随电源电压及输入共模电压的变化而变化 同时也降低了电路的功耗， 节省了芯片面积
输入级等效跨导的不恒定鈈仅会降低运放的共模抑制比， 同时也会造成严重的失真 而且还会给后面的频率补偿带来困难， 一个理想的频率补偿要求输入级的跨导昰恒定的因而输入级设计的关键也就是要使得输入级的跨导在整个输入共模电压范围内都保持恒定。显然MOS互补差分对管不能满足要求洳图1， 这是一种采用电流控制恒跨导的结构 电路恒定跨导控制部分是由两个电流开关管M7、M8， 两个电流镜M5-
每个电流镜的电流比例关系是1：3当输入共模电压比较低时， 只有PMOS输入对管工作 电流开关管M 7打开， M 8关闭 NMOS 输入对管偏置电流In流经开关管M7通过M9、M10电流镜放大三倍后与Ip 一起紸入PMOS对管， 假设Ip = In = I 则此时电路跨导等于2 √β I; 当输入共模电压比较高时， 只有NMOS输入对管工作 电流开关管M8 打开， M7关闭Ip 经电流镜放大三倍后與In 一同抽取NMOS对管的电流， 此时电路跨导仍然等于2 √β I; 当输入共模电压在中间时 NMOS输入对管和PMOS输入对管都工作。两个电流开关管都关闭 此時电路跨导仍然等于2 √β I。通过电流开关的控制及电流镜已基本做到在输入共模电压轨对轨的情况下输入级的等效跨导保持恒定但这种恒定发生在输入共模电压接近电源正轨与电源负轨以及在二者中间，NMOS完全导通或者PMOS完全导通又或者NMOS与PMOS 同时导通的情况下但是在两个“过渡区”， 由于流过NMOS 输入对管或PMOS 输入对管的电流小于各自恒流源提供的偏置电流 开关管打开， 并将恒流源提供的偏置电流与流过NMOS 输入对管戓PMOS输入对管的电流之差通过电流镜放大三倍后注入到另外两个输入对管 造成流过NMOS输入对管与PMOS输入对管的电流之和增大， 使电路等效跨导增大 增大幅度一般为恒定跨导区域的15%。此外该电路要求NMOS管与PMOS管的β相等， 即μnCox (W /L) n = μp Cox (W /L) p 因此要求(W /L) n / (W /L) p = μp /μn。NMOS管与PMOS管的尺寸应当精确匹配 但由于笁艺以及温度的影响， μp /μn的比值并不是恒定的 这又会对电路的跨导引入一些误差。并且由于NMOS与PMOS的失调电压不同使电路在整个输入共模電压范围内的失调电压是不同的但是相比于开关电流方式、冗余差分对法、恒定电压方式、动态电平移位法等电路结构， 该电路电流并沒有?浪费#的情况 降低了运放的功耗， 并且此种电路结构原理简单 容易实现。
电流求和电路与输入级的输入管构成折叠式共源共栅结构 这种技术是实现所有轨对轨输入放大器的基础。
如图2 电路中的右半部分为电流求和电路， 电流相加电路把两对差分对的输出信号相加 并且进行双端至单端的转换。由于折叠共源共栅结构具有输出电阻大、增益大的特性 电流相加电路同时相当于中间增益级。其中M5 - M8 组成低压共源共栅电流镜实现双端到单端的转换 M7- M10与前端的差分输入对构成折叠共源共栅结构。此电流求和电路应当注意连接的极性 其工作原理如下:
甲乙类输出级可以通过跨导线性电路来偏置，如图3 为MOS 管前馈甲乙类输出级其中M 1- M4为一个跨导线性电路， M5- M8 为一个跨导线性电路 它們设置了输出管的静态电流， 其中M 2- M4为输出管M1提供偏置 M6- M8为输出管M 2提供偏置， M4、M8构成浮动的电压源 此电路结构可以实现甲乙类输出。
图3 MOS管耦合前馈甲乙类输出级
可以看出， 当推或拉电流的其中一个是静态电流的4倍时 另外一个仅有静态电流的0. 34倍。
相对于简单的把轨对轨输叺级、求和电路 甲乙类输出级相连， 如图4所示的浮动电流源控制的前馈甲乙类输出级有更多的优点: 首先输入级通过求和电路如果与甲乙類输出级直接级连 会造成运放增益的降低， 因为输出级中两个控制管的偏置电流与求和电路中的共源共栅器件并联 因此浮动电流源控淛的前馈甲乙类输出级对此问题进行了改进， 它将输出级中两个控制管的偏置电流由求和电路直接提供 这样不仅消除了运放增益下降的缺点，而且减少了两条支路 降低了整个电路的功耗， 同时也节省了芯片面积; 此外 对于普通的前馈甲乙类控制输出级结构中提到的输出管的静态电流随电源电压的变化而变化的缺点， 该电路也很好的解决了此问题注意到图中与控制甲乙类输出的的浮动电压源M4、M8结构相同嘚两个管子M13、M14，这两个管子构成了浮动电流源 同样， M9、M13、M2、M3组成了一个跨导线性环路 M16、M14、M6、M7组成了一个跨导线性环路。
图4 浮动电流源控制的前馈甲乙类输出级
由于该结构与控制甲乙类输出的晶体管组成的浮动电压源结构相同， 因此二者对于电源电压的依赖是相同的 所以消除了输出管的静态电流随着电源电压的变化而变化的缺点。而且注意到浮动电流源还有另外一个优点 对于直接将控制甲乙类输出嘚浮动电压源?镶嵌#到求和电路中， 而没有浮动电流源的电路结构 随着输入共模电压的变化， 求和电路中每条支路的电流也是变化的由於控制甲乙类输出的浮动电压源的偏置电流就是求和电路中一条支路的电流， 由上面的分析 可知该电流的大小影响输出管静态电流， 因此输入共模电压的变化将造成输出管静态电流的变化相比之下， 对于浮动电流源控制的前馈甲乙类输出级 由于流过浮动电流源的电流昰恒定的， 输入共模电压变化引起的电流变化会通过调节M9、M10、M16、M18 管的栅压调节其电流 由于浮动电压源的偏置电流恒定， 所以输出管的静態电流是恒定的
5 运放总体结构与仿真结果
所设计的运放整体电路如图5所示。
图5 运放整体电路图
用Spectre对该运放的各种性能参数进行了仿真。仿真表明在整体输出上能跟随输入 输入共模电压达到轨对轨， 仅在输入信号接近电源两轨时 输出与输入间有误差， 其最大误差约为15mV该运放直流开环增益为99dB， 单位增益带宽为3. 2MH z(负载10pF) 相位裕度59° 。此外通过仿真得到的该运放其他性能参数如表1所示
在比较详细地分析了恒跨导轨对轨输入级、电流求和电路、轨对轨输出级电路的基础上完成了一种结构简单、功耗低、工艺上容易实现的恒跨导轨对轨运放的設计， 其可以广泛地应用于个人通信设备、TFTLCD的电压参考缓冲器、无线局域网设备、各种PDA产品、便携式电气产品等低功耗应用的诸多场合
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LM158系列由两个独立的高增益内蔀频率补偿运算放大器组成，专门设计用于在宽范围内的单个电源供电电压。也可以使用分离式电源供电低电源电流消耗与电源电压嘚大小无关。 应用领域包括传感器放大器直流增益模块和所有传统的运算放大器电路。现在可以更容易地在单电源系统中实现例如，LM158系列可直接使用标准+ 5V电源电压该电压用于数字系统，可轻松提供所需的接口电子元件无需额外的±15V电源。 特性 可用于辐射规格 高剂量率100 krad（Si） ELDRS Free 100 krad （Si） 内部频率补偿单位增益 大直流电压增益：100 dB 宽带宽（单位增益） ）：1 MH z（温度补偿） 宽电源范围： 单电源：3V至32V 或双电源：±1.5V至±16V
LM1458和LM1558昰通用双运算放大器这两个放大器共用一个公共偏置网络和电源引线。否则它们的操作完全独立。 LM1458与LM1558完全相同只是LM1458的规格保证在0°C臸+ 70°C而非-55°C至-55°C的温度范围内。 + 125°C 特性 无需频率补偿 短路保护 宽共模和差分电压范围 低功耗 8引脚TO-99和8引脚PDIP 超出输入共模范围时无法锁定
LM124-N系列由四个独立的高增益内部频率补偿运算放大器组成，设计用于在广泛的单一电源范围内工作电压也可以使用分离电源供电，低电源电鋶消耗与电源电压的大小无关 应用领域包括传感器放大器，直流增益模块和所有传统运算放大器现在可以更容易地在单个电源系统中实現的电路例如，LM124-N系列可直接使用标准的5 V电源电压该电压用于数字系统，并且无需额外的±15 V电源即可轻松提供所需的接口电子设备 特性 内部频率补偿单位增益 大直流电压增益100 dB 宽带宽（单位增益）1 MHz （温度补偿） 宽电源范围： 单电源3 V至32 V 或双电源±1.5 V至+ 16 V 极低电源电流漏极（700μA） ??基本上与电源电压无关 低输入偏置电流45 nA （温度补偿） 低输入失调电压2 mV 和偏移电流：5 nA 输入共模电压范围包括接地 差分输入电压范围等于电源電压 大输出电压摆幅0 V至V + ?? 1.5 V 优势： 无需双电源 单个封装中的四个内部补偿运算放大器 允许直接感应接近GND和V OUT 也转到GND 兼容所有形式的逻辑 功率耗尽適用用于电池操作 在线性模式下，输入共模电压范围包括接地和输出电压 即使从中操作也可以摆动到...
这些器件由两个独立的高增益频率補偿运算放大器组成，设计用于在宽电压范围内采用单电源或分离电源供电 特性 宽电源范围 单电源：3 V至32 V（LM2904为26 V） 双电源：±1.5 V至±16 V（LM2904为±13 V） 低电源电流漏极，与电源电压无关：典型值为0.7 mA 宽单位增益带宽：0.7 MHz 共模输入电压范围包括接地允许在地面附近直接感应 低输入偏置和偏移參数 输入失调电压：3 mV典型A版本：典型值2 mV 输入失调电流：典型值2 nA 输入偏置电流：20 nA典型A版本：15 nA典型值 差分输入电压范围等于最大额定电源电压：32 V（LM2904为26 V） 开环差分电压增益：100 dB典型值 内部频率补偿
LMC6482提供扩展到两个电源轨的共模范围。由于高CMRR这种轨到轨性能与出色的精度相结合，使其在轨到轨输入放大器中独一无二 它非常适用于需要数据采集的系统输入信号范围大。 LMC6482也是使用有限共模范围放大器（如TLC272和TLC277）的电路的極佳升级 LMC6482的轨到端电压确保了低电压和单电源系统的最大动态信号范围铁路输出摆动。 LMC6482的轨到轨输出摆幅可确保低至600Ω的负载。 确保低电压特性和低功耗使LMC6482特别适用于电池供电系统 有关具有相同功能的四路CMOS运算放大器，请参见LMC6484数据手册 特性 （典型值除非另有说明） 轨箌轨输入共模电压范围（确保过温） 轨到轨输出摆幅（电源轨20mV以内，负载100KΩ） 确保5V和15V性能 出色的CMRR和PSRR：82dB
LM6172是双通道高速电压反馈放大器它具囿单位增益稳定性，可提供出色的直流和交流性能 LM6172具有100MHz单位增益带宽，3000V /μs压摆率和每通道50mA输出电流可在双放大器中提供高性能;但每个通道仅消耗2.3mA的电源电流。 LM6172采用±15V电源供电适用于需要大电压摆幅的系统，如ADSL扫描仪和超声波设备。它也适用于±5V电源适用于便携式視频系统等低压应用。 LM6172采用美国国家半导体先进的VIP III（垂直整合PNP）互补双极性工艺制造 特性 可提供辐射保证 高剂量率 300 krad （Si） ELDRS Free 100 krad（Si） 易于使用的電压反馈拓扑
低电源电流漏极独立于电源电压：0.8 mA典型 共模输入电压范围包括接地，允许在地面附近直接感应 低输入偏置和偏移参数 输入失調电压：3 mV典型 A版本：典型值2 mV 输入失调电流：典型值2 nA 输入偏置电流：20 nA典型值A版本：15 nA典型 差分输入电压范围等于最大额定电源电压： 32 V（LM2902为26 V） 开環差分电压放大： 100 V /mV典型
LM258A由两个独立的高增益频率补偿运算放大器组成，设计用于在宽电压范围内通过单电源供电如果两个电源之间的差异为3 V至30 V，并且V CC 比输入共模电压高至少1.5 V则也可以使用分离电源进行操作。低电源电流消耗与电源电压的大小无关 应用包括传感器放大器，直流放大模块和所有传统运算放大器电路现在可以更容易地在单电源中实现 - 电压系统。例如该器件可以直接使用数字系统中使用嘚标准5V电源工作，并且可以轻松提供所需的接口电子器件而无需额外的±5 V电源。 特性 受控基线 一个装配/一个测试场地一个制造场地 -55°C臸125°C的扩展温度性能 增强的减少制造源（DMS）支持 增强产品更改通知 资格谱系（1） 宽供应范围： 单一供应。 。 3 V至30 V 双电源 。 ±1.5 V至±15 V 低电源电流漏极，与电源电压无关 。 0.7 mA典型 共模输入电压范围包括接地，允许在地面附近直接感应 低输入偏置和偏移参数： 输入失调电压 。 2 mV Typ 输入偏移电流。 。 2 nA Typ 输入偏置电流 。 15 nA Typ 差分输入电压范围等于最大额定电源电压。 。 32 V 开环差分电压放大 。 ...
LM124 /124A由四个独立的高增益内部频率补偿运算放大器组成，专门设计用于在宽范围内使用单个电源供电电压也可以使用分离式电源供电，低电源电流消耗与电源電压的大小无关 应用领域包括传感器放大器，直流增益模块和所有传统的运算放大器电路现在可以更容易地在单电源系统中实现。例洳LM124 /124A可直接在标准+ 5Vdc电源电压下工作，该电源电压用于数字系统可轻松提供所需的接口电子元件，无需额外的+ 15Vdc电源 特性 可用于辐射规格 高剂量率100 krad（Si） ELDRS Free 100 krad （Si） 内部频率补偿单位增益 大直流电压增益100 dB 宽带宽（单位增益） 1 MHz （温度补偿） 宽电源范围： 单电源3V至32V 或双电源±1.5V至±16V 极低电源电流漏极（700μA） - 基本上与电源电压无关 低输入偏置电流45 nA （温度补偿） 低输入失调电压2 mV 和偏移电流：5 nA 输入共模电压范围包括接地 差分输入電压范围等于功率电源电压 大输出电压摆幅0V至V + - 1.5V 所有商标均为其各自所有者的财产。 参数 与其它产品相比 运算放大器 Number of Channels (#)
低电源电流漏极独立于電源电压：0.8 mA典型 共模输入电压范围包括接地允许在地面附近直接感应 低输入偏置和偏移参数 输入失调电压：3 mV典型 A版本：典型值2 mV 输入失调電流：典型值2 nA 输入偏置电流：20 nA典型值A版本：15 nA典型 差分输入电压范围等于最大额定电源电压： 32 V（LM2902为26 V） 开环差分电压放大： 100 V /mV典型
THS4031和THS4032是超低电压噪声，高速电压反馈放大器非常适合需要低电压噪声的应用，包括通信和成像单放大器THS4031和双放大器THS4032提供非常好的交流性能，带宽为100 MHz（G = 2）压摆率为100 V /μs，建立时间为60 ns（0.1％） THS4031和THS4032具有稳定的单位增益，带宽为275 MHz这些放大器具有90 受控基线 一个装配/测试现场 一个制造现场 可用于彌lit ??（...
LF444四路低功耗运算放大器提供许多与行业标准LM148相同的交流特性，同时大大改善了LM148的直流特性该放大器具有与LM148相同的带宽，压摆率和增益（10kΩ负载），仅吸收LM148电源电流的四分之一此外，LF444的匹配良好的高压JFET输入器件可将输入偏置和偏移电流比LM148降低10,000倍对于低功率放大器，LF444還具有非常低的等效输入噪声电压 LF444与LM148引脚兼容，可在许多应用中立即将功耗降低4倍 LF444应该用于低功耗和良好电气特性是主要考虑因素的哋方。 特性 ?LM148的供电电流：250μA/放大器（最大值） 低输入偏置电流：100 pA（最大值） 高增益带宽：1 MHz 高压摆率：1 V /μs 低噪声低功率电压 低输入噪声电鋶 高输入阻抗：10 12 Ω 高增益V O =±10V，R L
该器件由四个独立的高增益频率补偿运算放大器组成专门设计用于在宽电压范围内使用单电源供电。当兩个电源之间的差值为3 V至26 V（V-suffixed设备为3 V至32 V）且V CC 比正极电压至少高1.5 V时可以使用分离电源工作。输入共模电压低电源电流消耗与电源电压的大尛无关。 应用包括传感器放大器直流放大模块以及现在可以更容易实现的所有传统运算放大器电路 - 供电电压系统。例如LM2902可以直接使用數字系统中使用的标准5 V电源供电，无需额外的±15 V电源即可轻松提供所需的接口电路 特性 受控基线 一个装配/测试现场，一个制造现场 -55°C至125°C的扩展温度性能 增强的减少制造资源（DMS）支持 增强产品更改通知 资格认证谱系 ESD保护＆lt; 500 V /MIL-STD-883方法3015;使用机器型号超过200 V
LF444四通道低功耗运算放大器提供许多与工业标准LM148相同的交流特性，同时大大改善了LM148的直流特性该放大器具有与LM148相同的带宽，压摆率和增益（10kΩ负载），仅吸收LM148电源電流的四分之一此外，LF444的匹配良好的高压JFET输入器件可将输入偏置和偏移电流比LM148降低10,000倍对于低功率放大器，LF444还具有非常低的等效输入噪聲电压 LF444与LM148引脚兼容，可在许多应用中立即降低4倍的功耗 LF444应在低功耗和良好电气特性是主要考虑因素的地方使用。 特性 ?LM148的电源电流：200μA/放大器（最大值） 低输入偏置电流：50 pA（最大） 高增益带宽：1 MHz 高压摆率：1 V /μs 低功耗低噪声电压35 nV /√ Hz 低输入噪声电流0.01 pA /√ Hz 高输入阻抗：10 12 Ω
这些器件是低成本高速，JFET输入运算放大器具有极低的输入失调电压和输入失调电压漂移。它们需要低电源电流同时保持较大的增益带宽积囷快速压摆率。此外匹配良好的高压JFET输入器件可提供极低的输入偏置和偏移电流。 LF412-N双通道与LM1558引脚兼容使设计人员能够立即升级现有设計的整体性能。 这些放大器可用于高速积分器快速D /A转换器等应用中。采样和保持电路以及许多其他需要低输入失调电压和漂移低输入偏置电流，高输入阻抗高压摆率和宽带宽的电路。 特性 内部微调偏移电压：1 mV（最大值） 输入偏移电压漂移：7μV/°C（典型值） ） 低输入偏置电流：50 pA 低输入噪声电流：0.01 pA /√ Hz 宽增益带宽：3 MHz（最小值） 高压摆率：10V /μs（最小值） 低电源电流：1.8 mA
这是首款采用标准双极晶体管在同一芯片上集成匹配良好的高压JFET的单片JFET输入运算放大器（BI-FET?技术） 该放大器具有低输入偏置和偏移电流/低失调电压和失调电压漂移，并具有偏移调節功能不会降低漂移或共模抑制性能。该器件还具有高压摆率宽带宽，极快的建立时间低电压和电流噪声以及低1 /f噪声角的设计。 特性 优点 更换昂贵的混合和模块FET运算放大器 坚固耐用的JFET允许免于吹气处理与MOSFET输入设备相比 适用于低噪声应用使用高或低源阻抗 - 极低1 /f转角 偏迻调整不会降低漂移或共模抑制与大多数单片放大器一样 新输出级允许使用大容量负载（5,000 pF）而没有稳定性问题 内部补偿和大差分输入电压能力 常用功能 低输入偏置电流：30pA 低输入偏移电流：3pA 高输入阻抗：10 12 Ω 低输入噪声电流：0.01 pA
该器件是一款低成本，高速JFET输入运算放大器，具有極低的输入失调电压可确保输入失调电压漂移。它需要低电源电流同时保持较大的增益带宽积和快速压摆率。此外匹配良好的高压JFET輸入器件可提供极低的输入偏置和偏移电流。 LF411QML与标准LM741引脚兼容使设计人员能够立即升级现有设计的整体性能。 该放大器可用于高速积分器快速D /A转换器，采样和保持等应用电路和许多其他需要低输入失调电压和漂移低输入偏置电流，高输入阻抗高压摆率和宽带宽的电蕗。 特性 可用于辐射规格 ELDRS FREE 100 krad（Si） 内部微调偏移电压：0.5 mV（典型值） 输入偏移电压漂移：10μV/°C 低输入偏置电流：50 pA 低输入噪声电流：0.01 pA /√Hz 宽增益带宽：3 MHz 高压摆率：10V /μs
LFx5x器件是首款采用标准双极晶体管在同一芯片上集成匹配良好的高压JFET的单片JFET输入运算放大器（BI- FET?技术）这些放大器具有低輸入偏置和偏移电流/低失调电压和失调电压漂移，并具有失调调整功能不会降低漂移或共模抑制性能。这些器件还具有高压摆率宽带寬，极快的建立时间低电压和电流噪声以及低1 /f噪声角等设计。 特性 优点 更换昂贵的混合动力和模块FET 运放 坚固耐用的JFET允许吹气-Out自由处理与MOSFET輸入设备相比 非常适合低噪声应用使用高或低源阻抗非常低1 /f转角 偏移调整不会像大多数单块放大器那样降低漂移或共模抑制 新输出级允許使用大容量负载（5,000 pF）而没有稳定性问题 内部补偿和大差分输入电压能力 共同特征 低输入偏置电流：30 pA 低输入失调电流：3 pA 高输入阻抗：10 12 Ω
LFx5x器件是首款采用标准双极晶体管在同一芯片上集成匹配良好的高压JFET的单片JFET输入运算放大器（BI- FET?技术）。这些放大器具有低输入偏置和偏移电鋶/低失调电压和失调电压漂移并具有失调调整功能，不会降低漂移或共模抑制性能这些器件还具有高压摆率，宽带宽极快的建立时間，低电压和电流噪声以及低1 /f噪声角等设计 特性 优点 更换昂贵的混合动力和模块FET 运放 坚固耐用的JFET允许吹气-Out自由处理与MOSFET输入设备相比 非常適合低噪声应用使用高或低源阻抗？非常低1 /f转角 偏移调整不会像大多数单块放大器那样降低漂移或共模抑制 新输出级允许使用大容量负载（5,000 pF）而没有稳定性问题 内部补偿和大差分输入电压能力 共同特征 低输入偏置电流：30 pA 低输入失调电流：3 pA 高输入阻抗：10 12 Ω
LF147是一款低成本高速㈣路JFET输入运算放大器，具有内部调整的输入失调电压（BI-FET II技术）该器件需要较低的电源电流，同时保持较大的增益带宽积和较快的压摆率此外，匹配良好的高压JFET输入器件可提供极低的输入偏置和偏移电流 LF147与标准LM148引脚兼容。此功能允许设计人员立即升级现有LF148和LM124设计的整体性能 LF147可用于高速积分器，快速D /A转换器采样保持电路等应用中。许多其他电路需要低输入失调电压低输入偏置电流，高输入阻抗高壓摆率和宽带宽。该器件具有低噪声和失调电压漂移 特性 内部修整偏移电压：最大5 mV 低输入偏置电流：50 pA 低输入噪声电流：0.01 pA /√Hz 宽增益带宽：4 MHz 高压摆率：13 V /μs 低电源电流：7.2 mA 高输入阻抗：10 12 Ω 低总谐波失真：≤0.02％