AD797作為一款低噪聲高速運算放大器，其性能指標堪稱完美。該運放內(nèi)部采用Flold-Cascode結構以及高偏流設計，噪聲低至0.9VHZ,增益帶寬積高達110M。此外，該芯片在20KHz時的THD指標可達到-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)動能力也達到了50mA的水平。在種類繁多的運算放大器里，AD797應該當之無愧的被稱作運算放大器的王者。

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指標在1KHz時也達到了0.00003%的低水準（20KHz時的指標手冊上未標注，估計和AD797相當?）。

OPA627

HIFI愛好者總是希望通過摩機來提升機器的性能，更換運放為更高規(guī)格的制品，無疑是最簡單和最方便的方式。可是大多數(shù)愛好者在用AD797進行“摩機”時，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，使得很多朋友對該款運放產(chǎn)生了懷疑，甚至認為自己買到了假貨。

其實，遇到這些情況，大多是對該運放特性不了解導致的。只有深入了解了AD797這款運放，才會在應用中，充分發(fā)揮出這款運放的優(yōu)勢出來。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)秀運算放大器OPA627和AD797進行比對，闡述應用場景和運算放大器選擇之間的關系。

一、電路噪聲

很多有經(jīng)驗的DIY發(fā)燒友都提到，AD797對輸入電阻要求比較高。其實這不是什么特殊的地方，有這么一大類運算放大器和AD797一樣，都是屬于對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？我們在設計時應如何把握和取舍？這要從運算放大器的總輸入噪聲電壓密度談起。

運算放大器的總輸入噪聲電壓是運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，是我們在很多場合，選擇不同類型的運算放大器的一個依據(jù)。如果將這些以單位頻寬來衡量，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系了。下面，我們再深入探討一下。

先談一下輸入噪聲電壓密度。運算放大器輸入噪聲電壓密度是和其內(nèi)部輸入級差動晶體管的集電極電流相關的。大致關系如下：

針對運算放大器電路而言，總的噪聲電壓密度可以表示為：

也就是說，運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)過以上分析，其實不難得出結論，那就是：每款運放都有適合自己的一個工作點范圍，在這個范圍內(nèi)工作，運放的噪聲是可控的，超出這個范圍，噪聲特性會惡化。

下面，我們聯(lián)系實踐，分析一下如何更好的應用好AD797和OPA627兩款運放：

場景1：前級放大器的放大電路，應選擇哪款運放，電路參數(shù)應如何確定？

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

首先，考慮線路增益。反相輸入時，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，這個反相端輸入電阻里面是包含信號源內(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，將導致線路的增益不確定！

我們再看一下同相輸入的情況。此時，電路增益由反相端對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]信號源內(nèi)阻。假設信號源內(nèi)阻為2K歐姆，AD797的同相、反相端輸入電阻均為1000歐姆，此時，總的輸入電阻為3.5K歐姆，這時若采用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)，在信號源輸入阻抗不確定的情況下，采用OPA627進行設計將會有更大的寬容性，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，情況也是如此。這一級電路，如果采用AD797，可能會因為輸入信號阻抗變化過大導致本級電路性能的不確定，噪聲隨音量變化較大。而當采用OPA627時，這個問題就會得到圓滿解決。

二、輸出失調(diào)電壓

我們再回到上面這個場景。此時，我們不考慮噪聲問題，而去考慮另外一個因素：輸出失調(diào)電壓（也就是我們常說的中點電壓）。

談到這個問題，我們需要關注三個指標：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，運算放大器輸入口短路接地時，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)電流是指當運放輸入端口開路時，為了得到0輸出，必須加到運放兩個輸入端的補償電流。

輸入偏置電流是指當常溫下，輸入信號為0且0輸出時，兩個輸入端的偏置電流。

如果我們在前級放大器設計時仍然考慮信號源內(nèi)阻。假設信號源內(nèi)阻為2K歐姆，AD797的同相、反相端輸入電阻均為1000歐姆，前級放大器增益為3倍（10dB），我們試計算一下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，這個數(shù)值是無法接受的。我們更換為OPA627型號的運放，再計算一下。查OPA627運放的規(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。對于運算放大器而言，單位增益是最不容易穩(wěn)定的。全增益范圍穩(wěn)定意味著在運算放大器用做緩沖器時，我們不需要額外進行補償就可以穩(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)有一個失真消除電路，通過6腳和8腳之間的電容實現(xiàn)內(nèi)部高頻失真的消除。這里需要注意兩點：首先，這個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，這個電容僅對高頻段和高增益應用場景（例如增益為1000倍）適用。實際上，50pF電容難覓，可以考慮數(shù)個高精度電容并聯(lián)實現(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。設計中如果全都添加該電容，那么我們將會享受到前所未有的美妙的高頻，低頻會很單薄。這種情況想必一定有朋友遇到過吧？

實際應用上，AD797輸出如果接感性負載（如驅(qū)動耳機），也會引發(fā)震蕩。這一點需要格外重視。相比之下，OPA627穩(wěn)定性就要好很多。

選擇運算放大器時，要特別關注運放是否可以在單位增益穩(wěn)定。一些運放是不能再單位增益下穩(wěn)定的，此時用于緩沖器電路就會出現(xiàn)穩(wěn)定性問題。例如常見的另一款運放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。此類運放就不適合做電壓緩沖器。

四、發(fā)揮AD797的特性

前面論述過，AD797不適合用做高輸入電阻的緩沖、放大級。但是畢竟它是一款性能非常優(yōu)異的運放，運用得當，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。

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

這個特性是相當優(yōu)越的。也是其它型號的運算放大器基本無法達到的。這時，其它型號的運算放大器可能會因為反饋電阻和輸入電阻阻值過低，超出了運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)揮出來了。

綜上所述，發(fā)揮AD797性能的要點在于：確定的低信號源內(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、摩機時注意事項

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