AD797作為一款低噪聲高速運(yùn)算放大器，其性能指標(biāo)堪稱完美。該運(yùn)放內(nèi)部采用Flold-Cascode結(jié)構(gòu)以及高偏流設(shè)計(jì)，噪聲低至0.9VHZ,增益帶寬積高達(dá)110M。此外，該芯片在20KHz時(shí)的THD指標(biāo)可達(dá)到-120dB,即0.0001%的水平，在同類芯片中也是非常出色的；該芯片的電流驅(qū)動(dòng)能力也達(dá)到了50mA的水平。在種類繁多的運(yùn)算放大器里，AD797應(yīng)該當(dāng)之無(wú)愧的被稱作運(yùn)算放大器的王者。

AD797

OPA627是Ti公司的一款高性能放大器，增益帶寬積16MHz，轉(zhuǎn)換速率55V/uS，更為可貴的是其THD指標(biāo)在1KHz時(shí)也達(dá)到了0.00003%的低水準(zhǔn)（20KHz時(shí)的指標(biāo)手冊(cè)上未標(biāo)注，估計(jì)和AD797相當(dāng)?）。

OPA627

HIFI愛好者總是希望通過(guò)摩機(jī)來(lái)提升機(jī)器的性能，更換運(yùn)放為更高規(guī)格的制品，無(wú)疑是最簡(jiǎn)單和最方便的方式。可是大多數(shù)愛好者在用AD797進(jìn)行“摩機(jī)”時(shí)，似乎并沒有取得最佳的效果，出現(xiàn)了很多狀況：輸出產(chǎn)生自激震蕩、中點(diǎn)電壓偏離正常值較多、聲音不自然，效果甚至還不如常見的NE5534......遇到了這些狀況，使得很多朋友對(duì)該款運(yùn)放產(chǎn)生了懷疑，甚至認(rèn)為自己買到了假貨。

其實(shí)，遇到這些情況，大多是對(duì)該運(yùn)放特性不了解導(dǎo)致的。只有深入了解了AD797這款運(yùn)放，才會(huì)在應(yīng)用中，充分發(fā)揮出這款運(yùn)放的優(yōu)勢(shì)出來(lái)。本文用HIFI DIY常見的Ti公司基于介質(zhì)分離工藝制作的JFET輸入的優(yōu)秀運(yùn)算放大器OPA627和AD797進(jìn)行比對(duì)，闡述應(yīng)用場(chǎng)景和運(yùn)算放大器選擇之間的關(guān)系。

一、電路噪聲

很多有經(jīng)驗(yàn)的DIY發(fā)燒友都提到，AD797對(duì)輸入電阻要求比較高。其實(shí)這不是什么特殊的地方，有這么一大類運(yùn)算放大器和AD797一樣，都是屬于對(duì)輸入電阻要求比較高的類型。

那么，是什么原因造成這樣的狀況呢？我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)如何把握和取舍？這要從運(yùn)算放大器的總輸入噪聲電壓密度談起。

運(yùn)算放大器的總輸入噪聲電壓是運(yùn)算放大器的噪聲電壓、噪聲電流流經(jīng)輸入電阻上產(chǎn)生的噪聲電壓、以及輸入電阻本身的熱噪聲三者之和。這一點(diǎn)，是我們?cè)诤芏鄨?chǎng)合，選擇不同類型的運(yùn)算放大器的一個(gè)依據(jù)。如果將這些以單位頻寬來(lái)衡量，就變換成了總輸入噪聲電壓密度和噪聲電壓密度、噪聲電流密度、電阻熱噪聲三者的關(guān)系了。下面，我們?cè)偕钊胩接懸幌隆?/p>

先談一下輸入噪聲電壓密度。運(yùn)算放大器輸入噪聲電壓密度是和其內(nèi)部輸入級(jí)差動(dòng)晶體管的集電極電流相關(guān)的。大致關(guān)系如下：

針對(duì)運(yùn)算放大器電路而言，總的噪聲電壓密度可以表示為：

也就是說(shuō)，運(yùn)算放大器總的噪聲電壓密度等于電壓噪聲密度、同相和反相端的電流噪聲密度在輸入電阻上產(chǎn)生的電壓噪聲密度、同相和反相端的輸入電阻本身的熱噪聲電壓密度三者之和。

經(jīng)過(guò)以上分析，其實(shí)不難得出結(jié)論，那就是：每款運(yùn)放都有適合自己的一個(gè)工作點(diǎn)范圍，在這個(gè)范圍內(nèi)工作，運(yùn)放的噪聲是可控的，超出這個(gè)范圍，噪聲特性會(huì)惡化。

下面，我們聯(lián)系實(shí)踐，分析一下如何更好的應(yīng)用好AD797和OPA627兩款運(yùn)放：

場(chǎng)景1：前級(jí)放大器的放大電路，應(yīng)選擇哪款運(yùn)放，電路參數(shù)應(yīng)如何確定？

這個(gè)問題看似寬泛，可能有的朋友會(huì)想，不管哪一款運(yùn)放，只要能工作在最佳狀態(tài)，效果都不會(huì)太差。這個(gè)想法看似正確，但放到特定場(chǎng)景下，就不一定正確了。假定這個(gè)前級(jí)放大電路是有10dB（3倍）增益的電路，電路由一級(jí)運(yùn)放組成......

首先，考慮線路增益。反相輸入時(shí)，電路增益等于反饋電阻除以反相端輸入電阻。這里需要特別注意的是，這個(gè)反相端輸入電阻里面是包含信號(hào)源內(nèi)阻，也就是音源的輸出電阻的！由于配搭音源的內(nèi)阻的不確定性，將導(dǎo)致線路的增益不確定！

我們?cè)倏匆幌峦�相輸入的情況。此時(shí)，電路增益由反相端對(duì)地電阻和反饋電阻決定。增益問題不存在了。但我們?nèi)匀豢紤]信號(hào)源內(nèi)阻。假設(shè)信號(hào)源內(nèi)阻為2K歐姆，AD797的同相、反相端輸入電阻均為1000歐姆，此時(shí)，總的輸入電阻為3.5K歐姆，這時(shí)若采用AD797為輸入放大，系統(tǒng)的總的噪聲電壓系數(shù)為：

因此，我們發(fā)現(xiàn)，在信號(hào)源輸入阻抗不確定的情況下，采用OPA627進(jìn)行設(shè)計(jì)將會(huì)有更大的寬容性，電路性能受外部影響較小。

同理，衰減式音量控制電路的輸出緩沖級(jí)，情況也是如此。這一級(jí)電路，如果采用AD797，可能會(huì)因?yàn)檩斎胄盘?hào)阻抗變化過(guò)大導(dǎo)致本級(jí)電路性能的不確定，噪聲隨音量變化較大。而當(dāng)采用OPA627時(shí)，這個(gè)問題就會(huì)得到圓滿解決。

二、輸出失調(diào)電壓

我們?cè)倩氐缴厦孢@個(gè)場(chǎng)景。此時(shí)，我們不考慮噪聲問題，而去考慮另外一個(gè)因素：輸出失調(diào)電壓（也就是我們常說(shuō)的中點(diǎn)電壓）。

談到這個(gè)問題，我們需要關(guān)注三個(gè)指標(biāo)：輸入失調(diào)電壓、輸入失調(diào)電流和輸入偏置電流。

輸入失調(diào)電壓是指在常溫下，運(yùn)算放大器輸入口短路接地時(shí)，輸出端的失調(diào)電壓折合到輸入端口的電壓值。

輸入失調(diào)電流是指當(dāng)運(yùn)放輸入端口開路時(shí)，為了得到0輸出，必須加到運(yùn)放兩個(gè)輸入端的補(bǔ)償電流。

輸入偏置電流是指當(dāng)常溫下，輸入信號(hào)為0且0輸出時(shí)，兩個(gè)輸入端的偏置電流。

如果我們?cè)谇凹?jí)放大器設(shè)計(jì)時(shí)仍然考慮信號(hào)源內(nèi)阻。假設(shè)信號(hào)源內(nèi)阻為2K歐姆，AD797的同相、反相端輸入電阻均為1000歐姆，前級(jí)放大器增益為3倍（10dB），我們?cè)囉?jì)算一下AD797的輸出失調(diào)電壓。

查AD797規(guī)格書可知，AD797的輸入失調(diào)電壓為25uV，輸入失調(diào)電流為100nA，輸入偏置電流為0.25uA。輸出失調(diào)電壓的計(jì)算方法為：25uV×3+(2000+1000+1000)Ω×100nA+(2000+1000-1000)Ω×0.25uA=(75+400+500)uV=975uV。
 
如果信號(hào)源內(nèi)阻變?yōu)?K歐姆的情況下，輸出失調(diào)電壓的數(shù)值將變?yōu)椋?5+700+1250=2025uV。

顯然，這個(gè)數(shù)值是無(wú)法接受的。我們更換為OPA627型號(hào)的運(yùn)放，再計(jì)算一下。查OPA627運(yùn)放的規(guī)格書可知，OPA627的輸入失調(diào)電壓為40uV，輸入失調(diào)電流為0.5PA，輸入偏置電流為1pA。在信號(hào)源內(nèi)阻為2K、5K情況下，輸出失調(diào)電壓分別為：40×3uV+4000Ω×0.5PA+2000Ω×1PA=120.003uV，40×3+0.0035+0.005=120.0085uV。

從以上分析可以看出，在這種情況下，采用OPA627也可以保證較好的性能。

三、補(bǔ)償電容和穩(wěn)定性

OPA627和AD797都屬于全增益范圍內(nèi)穩(wěn)定的品種。對(duì)于運(yùn)算放大器而言，單位增益是最不容易穩(wěn)定的。全增益范圍穩(wěn)定意味著在運(yùn)算放大器用做緩沖器時(shí)，我們不需要額外進(jìn)行補(bǔ)償就可以穩(wěn)定工作。

但即便是單位增益的buffer電路，OPA627和AD797也有著較大區(qū)別。如下圖所示，OPA627可以在教科書般經(jīng)典的電壓跟隨器電路下很好的工作，而AD797在這樣的電路之下就存在一些穩(wěn)定性問題，而需要采用指定電路解決該穩(wěn)定性問題。

AD797片內(nèi)有一個(gè)失真消除電路，通過(guò)6腳和8腳之間的電容實(shí)現(xiàn)內(nèi)部高頻失真的消除。這里需要注意兩點(diǎn)：首先，這個(gè)電容的容量是需要精確等于50pF的，容量誤差越大，失真消除效果越不明顯。其次，這個(gè)電容僅對(duì)高頻段和高增益應(yīng)用場(chǎng)景（例如增益為1000倍）適用。實(shí)際上，50pF電容難覓，可以考慮數(shù)個(gè)高精度電容并聯(lián)實(shí)現(xiàn)。

需要注意，該電容只能用于高增益情況下降低高頻率失真。設(shè)計(jì)中如果全都添加該電容，那么我們將會(huì)享受到前所未有的美妙的高頻，低頻會(huì)很單薄。這種情況想必一定有朋友遇到過(guò)吧？

實(shí)際應(yīng)用上，AD797輸出如果接感性負(fù)載（如驅(qū)動(dòng)耳機(jī)），也會(huì)引發(fā)震蕩。這一點(diǎn)需要格外重視。相比之下，OPA627穩(wěn)定性就要好很多。

選擇運(yùn)算放大器時(shí)，要特別關(guān)注運(yùn)放是否可以在單位增益穩(wěn)定。一些運(yùn)放是不能再單位增益下穩(wěn)定的，此時(shí)用于緩沖器電路就會(huì)出現(xiàn)穩(wěn)定性問題。例如常見的另一款運(yùn)放OPA637就是只能在5倍增益下穩(wěn)定，而不能工作在單位增益下。此類運(yùn)放就不適合做電壓緩沖器。

四、發(fā)揮AD797的特性

前面論述過(guò)，AD797不適合用做高輸入電阻的緩沖、放大級(jí)。但是畢竟它是一款性能非常優(yōu)異的運(yùn)放，運(yùn)用得當(dāng)，就可以獲得非常優(yōu)異的性能。

例如，AD797用于阻抗變換Buffer之后的主電壓放大級(jí)。

仍以3倍增益為例。如果信號(hào)源內(nèi)阻可以忽略，運(yùn)放同相端、反相端電阻均為100歐姆，反饋電阻200歐姆，計(jì)算總噪聲電壓密度、輸出失調(diào)電壓如下（計(jì)算過(guò)程略）：總噪聲電壓密度為2.2(nV√Hz)，輸出失調(diào)電壓為95(uV)。

這個(gè)特性是相當(dāng)優(yōu)越的。也是其它型號(hào)的運(yùn)算放大器基本無(wú)法達(dá)到的。這時(shí)，其它型號(hào)的運(yùn)算放大器可能會(huì)因?yàn)榉答侂娮韬洼斎腚娮枳柚颠^(guò)低，超出了運(yùn)放的電流輸出能力而不能很好的工作， AD797的性能就被充分發(fā)揮出來(lái)了。

綜上所述，發(fā)揮AD797性能的要點(diǎn)在于：確定的低信號(hào)源內(nèi)阻，較低的輸入電阻值，以及同相、反相輸入端電阻值匹配。

五、摩機(jī)時(shí)注意事項(xiàng)

通過(guò)以上分析可以看出，在摩機(jī)替換運(yùn)放時(shí)，并不是簡(jiǎn)單的更換，而是需要對(duì)應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行研究的。原則上講，OPA627這類JFET輸入級(jí)的單位增益穩(wěn)定的運(yùn)放，可以比較方便的替換其它通用運(yùn)放，而在性能上不會(huì)引發(fā)大的偏差。如果和AD797之間相互替代，就會(huì)牽涉到場(chǎng)景和外圍電阻等的修改了，而不能簡(jiǎn)單直接替換，否則效果會(huì)大打折扣的。