高端音频运算放大器常用技术、排名和选用

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运放

1930年代，可用于实现运算放大器的基础电路开始陆续出现，到1940年代，贝尔实验室开发出了运算放大器概念的实用电路。二战期间，贝尔公司实际上已经开发出了真正的运算放大器，由于战争保密的原因，在战后一段时间才被公开，用于辅助瞄准的M9枪械指示器中用到的电子管电路，是运算放大器诞生的一个标志。

M9枪械指示器使用的电子管运放，摘自《Op Amp Applications》, Walter G. Jung Editor, 2002

1947年，纽约哥伦比亚大学教授John Ragazzini在论文中命名了可以执行如加法、减法、乘法、积分、微分等数学运算的放大器为运算放大器（Operational Amplifier），或简称为运放，英文简写为Op Amp，运算放大器或运放的名称就此诞生。

有别于现代的计算机或数字电路，运算放大器的运算是以模拟电路来执行的，下图是一个简单加法运算电路的示例。

运算放大器加法电路

真空电子管之后的运算放大器是用固态半导体元件模块或是混合集成电路来实现的。

固态半导体运放模块，摘自《Op Amp Applications》, Walter G. Jung Editor, 2002

混合集成电路运放，摘自《Op Amp Applications》, Walter G. Jung Editor, 2002

第一代大规模集成电路运放，是由线性集成电路先驱Robert J.(Bob) Widlar设计，Fairchild半导体公司（2015年被ON Semiconductor公司收购）在1963年推出的μA702和1965年推出的μA709。由于技术还不成熟，μA702没有获得多大成功。μA709也有许多的不足，但是第一款获得大量应用的集成电路运算放大器，是一个经典的里程碑。

第二代运放，也是由Widlar设计，National半导体公司（2011年被Texas Instruments公司收购）于1967年推出的LM101。之后Fairchild半导体公司在1968年推出，由Dave Fullagar设计的μA741，成为了运算放大器的典范和行业的标准。令人惊讶的是，尽管已经过去了五十多年，至今这款电路设计，如Texas Instruments公司的LM741、STMicroelectronics公司的UA741等，竟然仍在商业应用之中。

线性集成电路先驱Robert J.(Bob) Widlar，摘自《Op Amp Applications》, Walter G. Jung Editor, 2002

虽然现代运算放大器的电路设计、工艺和性能有了很多的提高和发展，但还都是以当时第一代和第二代的概念和电路作为设计的起点和基础的。

运算放大器之所以是运算放大器，其理论依据和努力目标，都是基于和实现“理想”运算放大器的假设。“理想”的运算放大器应该具有如下的性质：

• 无限大的放大倍数；
• 无限大的输入阻抗；
• 零输出阻抗。

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运放的音频应用

当前大家处处都会听到经过了运放处理的声音。许多地方都有运放的存在，比如功放、前级放大器、耳机放大器、唱头放大器、话筒放大器、解码器、有源分频系统、调音台、录音系统，等等。

音频应用中，主要是利用运放接近“理想”的性能，对小信号甚至是微弱信号先进行高质量的放大等处理，再送入后续电路中，或者是作为精密滤波器，来处理或改变信号的频率特性。

因为一般处于小信号的应用之中，音频运放，常常要求有低的噪声、低的失真、快的速度、宽的频带、小的相移、大的负载能力、大的抗干扰能力，等等。

家用音响系统示例，运放主要可能被使用的地方和作用

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常用技术手段

为了尽可能地满足音频应用的需要，并使运放“理想”化，常常要竭尽所能地采取各种技术手段。除了一些常规的工艺技术，以及一些常用的电路结构之外，如电流镜、共射共基放大器、差分输入对、有源负载、电流源和电压源、互补差分输入、互补共射输出、共集输出（轨到轨振幅输出）、负反馈、补偿，等等，以下一些技术，用来针对性地实现运放的高端音频及整体性能。

1）BJT工艺

大家可能都熟知的CMOS（互补金属氧化半导体）电路具有体积小、功耗低、切换速度快、容易数字连接、成本低等优点，目前广泛流行于大规模集成电路或芯片应用中，如中央处理器CPU、图形处理器GPU、信号处理器DSD、音频转换器DAC或ADC等等，大多是使用CMOS工艺来构建的。

但是，CMOS电路的模拟性能往往表现不佳，在音频一般只能作为低端产品使用。而BJT（双极结型晶体管）工艺，具有许多适合模拟电路的优点，如能够实现高的电导率、高的增益、高的速度、低的输入失调电压、低的输入噪声电压、大电流驱动能力，等等，因此，很适合于音频运算放大器使用。高端音频运放，其集成芯片几乎都是基于BJT工艺来实现的。

因为BJT需要有偏置电流才可以正常工作，这个工艺也有其不足之处，最显著的问题就是输入偏置电流较大（一般是几百nA），会使运放偏离“理想”状态，带来误差等影响，对音频应用的影响主要表现在电流噪声相对较大。

2）BiFetT技术

为了弥补BJT输入偏流较大的不足，人们在运放中引入了BiFet技术。这是把BJT（双极结型晶体管）和JFET（结型场效应晶体管）在同一块基片上集成制作的工艺。运放的BJT差分输入对用JFET来代替后，输入偏置电流可以达到极小（一般是几十pA）的值。这类运放就被称作JFET输入的（或JFET）运算放大器，除输入差分对被JFET替代外，其余电路还是基本用BJT来实现的。

应用BiFet技术的JFET输入运放简化电路图，摘自“OPA1641数据表”

DiFet技术

在此基础上，进一步引入DiFet技术，即是使用Dielectrically Isolated（DI）介质隔离工艺，用二氧化硅薄层代替PN结来隔离基片上的各个晶体管。薄层有更小的电容密度，结合JFET，使运放可以实现更小的输入偏置电流（可低至几个pA）。相比常规BiFet，DiFet运放有更低的电压噪声（更靠近BJT的水平），也有更快的速度。

JFET的引入，使得运放有很低的电流噪声。但是同样地，和BJT正好相反，其不足之处是运放的电压噪声和失调电压又相对较大。

3）iPolar工艺

Analog Devices公司使用的利用结合横向沟隔离的垂直（BJT）结隔离工艺，可以在较小的晶片上实现高速度和小功耗，由此带来的高压摆率、低失真和低噪声非常适合高保真音频和其它如高性能仪器的使用。

介质隔离（DI）工艺示意图，摘自《Analysis and Design of Analog Integrated Circuits》, Fifth Edition

4）SuperBeta技术

低噪声是音频运放的重要性能要求，运放的噪声性能与输入级晶体管集电极偏置电流的均方值有反比的关系，因此此电流越大则噪声越小。为了同时达到尽可能小的输入电流和大的集电极电流，有些运算放大器对输入差分对晶体管运用了SuperBeta（超级放大系数）的技术，通过减小基极宽度等工艺措施，使晶体管的电流增益达到如2000~5000倍的数量级，这样运放输入级可以工作在较大的偏置电流（如1mA）以实现较好的噪声性能，同时对速度、带宽等性能也有利，而输入偏流仍然可以保持在较低水平。

5）输入偏置电流取消

输入偏流取消电路，用来提升运放的直流（DC）性能，从而提高精度。通过在输入差分对基极分别接入多集电极晶体管电流源来实现。此方法对降低运放的电压噪声、失调电压等有许多益处，但同时也产生了增加电流噪声、共模噪声和共模失真等的不利影响。

SuperBeta和输入偏流取消电路，摘自《Analysis and Design of Analog Integrated Circuits》, Fifth Edition

6）二级放大结构

一般的运算放大器都是使用由输入、放大和输出组成的三级放大的结构。由于放大器的固有特性，每增加一级放大，都会引入一个相移，是一个不利影响。因此，有的运放，结合SuperBeta技术，采用二级放大结构，来提高相位裕度、改善失真等性能。Analog Devices公司的AD797就采用了这样的技术。

7）大电流输出

电阻都是会产生噪声的，一般是Johnson（热）噪声，与电阻阻值的平方根成正比关系，因此，低噪声电路都尽量使用低阻值的电阻。这就对运算放大器的负载能力提出了要求，同样地，负载能力与运放失真等性能也是密切相关的，所以，音频高性能的运算放大器，都需要设计成具备输出大电流（如大于30~40mA）的能力。音频运放大都使用CB（Complementary Bipolar-互补双极结型晶体管）的输出级结构，来实现快速的大电流输出。

8）非完全补偿放大器

放大器电路一般要将输出电压反馈到其负输入端（负反馈）来达到设计的目的，绝大多数的运算放大器可以实现100%的负反馈（增益为1倍）仍然是稳定的，这类运放被称为是无条件稳定或完全补偿的。有些运放被设计成为仅在一定增益（如5倍）及以上是稳定的，其内部电路也会稍复杂一些，使用条件也更苛刻，如不能简单地加入电容负反馈，但有更高的增益带宽积，也就是频带可以更宽、可以速度更快、压摆率（Slew Rate）更高，等。这类运放被称为是非完全补偿（Decompensated）运放。典型的例子是Texas Instruments公司的OPA627和OPA637，前者设计为单位增益（1倍）稳定，后者为5倍及以上稳定。

9）JFET声音

与以上描述主流思路正好相反的设计想法，运放的输入差分对使用BJT，而后续处理使用JFET，或者全部信号处理回路均使用JFET。这样做的理由是或可能是，与BJT的指数型相比，JFET的平方型转移特性能够更好地抑制人耳敏感且不喜欢的奇次谐波，所以声音会更好听。也可以理解为，与BJT的相比，如果JFET的声音更好听，那是因为少了奇次（主要为3次）谐波，而多了偶次（主要为2次）谐波。但是存在一个问题，不管是几次谐波，都应该是失真。这个设计想法，可能还是有争议的。使用这个思路运放的例子有Analog Devices公司的OP275和OP285、Texas Instruments公司的OPA604和OPA2604等。

BJT和JFET转移特性比较，摘自“OPA604，OPA2604数据表”

提高音频运放性能的技术手段还有许多，如铜线连接、激光矫正、共模反馈、前馈、基片分离，等等，非常何马在这里就不一一细说了。

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常用高端音频运放排名

运放的输入电压噪声，相比其它指标，在高端音频应用，更加容易成为制约运放性能的因素。这项指标，在运放音频应用的整体性能水平上有一定的代表性。以下，按输入电压噪声的高低，参考输入电流噪声和压摆率等，对常用的高端音频运算放大器做一个排名，同时也提供了价格指数。

排名说明：

1）本文以“高端”为目标，因此排名中未包括4通道、低电压和已停产的等运放。全差分运放通常在专业录音设备中使用，这里也没有包含在内；

2）价格指数是指各厂商官方销售渠道给出的购买数量为1的价格，与同样条件下运放NE5532的价格的比值。此价格可能是单个运放电路的（单运放）或两个运放电路（双运放）的价格；

3）列表中运放，除另外标出外，都以SOIC-8（塑封贴片）作为默认封装；

4）失真也是重要的指标之一，但与使用条件（外部电路）密切相关，各运放的官方数据常常没有直接的可比性，且有些运放的数据表上也没有列出此指标，需要进一步的判断。其它的一些指标，如频宽、共模抑制比、电源抑制比等等，也有类似情况；

5）运放的归类叫法较多，如通用运放、仪器运放、高速运放，等等。音频运放一般归于通用运放，但许多运放都可以作为音频使用，所以，并没有明确的界限，这里把可以用于音频的运放称为音频运放，以方便表达。

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选和用的问题

如此多的运放，如何选用可能还不是很容易的。非常何马先来尝试回答几个大家可能感兴趣的问题。

1）BJT输入还是JFET输入的运放更好？

BJT的电压噪声小，JFET电流噪声小，到底应该选用哪一类更正确呢？

一个简单且重要的判据，掌握了就能把握选用的大方向，那就是信号源的电阻值。对于信号源电阻值小的电路，电流噪声可以忽略，就选用BJT（电压噪声小）的；反之，就选用JFET（电流噪声小）的。

信号源电阻大或小，理论上需要经过计算来判断，但一般来说，小于1k欧姆，可以认为是小电阻，当信号源电阻大于1k欧姆时，则最好进一步通过计算来确认。

源电阻不同时不同的主导噪声源，摘自 《Basic Linear Design》, Hank Zumbahlen Editor, 2007 Analog Devices, Inc.

实际应用中，小电阻信号源是常见的，比如动圈唱头、电容式话筒、DAC数模转换芯片、DAC解码器、CD机、有源前级放大器，等等，都是低输出电阻的；也有大电阻的信号源的情况，如无源前级、被动音量控制、电路中串联大电阻的，等等。

2）有输入偏流取消电路、失调电压小的， 就更好吗？

这往往是为了改善直流（DC）性能而增加的手段，对于音频应用，交流性能往往更为重要，而输入偏流取消（或补偿）电路，会使运放输入差分对更容易工作在不对称的状态，从而无法完全取消共模噪声、共模失真等，给运放的性能带来不利影响。举例如Analog Devices公司的OP27和OP270（有输入偏流取消电路），电压噪声指标分别为3和3.2nV/√Hz，低于Texas Instruments公司NE5532（无输入偏流取消电路）的5nV/√Hz，应该有更低的噪声。但是，在有共模电压出现的串联负反馈电路中进行测试，它们的总谐波和噪声（THD+N）性能却劣于NE5532。

因此，有输入偏流取消电路的运放，虽然在有些场合使用是有利的（如直流耦合、直流伺服等），在作音频信号处理时要作谨慎考虑。

3）插拔更换运放可以比较优或劣吗？

运放的引脚基本上是兼容的（分别对单运放和双运放或其它），可以通过插拔分别试听不同的运放来比较声音的不同或优劣。但是，很多情况下这样的比较是不合理的，这是因为运放内部设计的不同，使用的条件，特别是补偿电路的参数等要求，也很可能各有不同。不在最合理的条件下工作，运放的性能很可能会受到限制。再举Texas Instruments公司的OPA637和OPA627和Analog Devices公司的OP37和OP27的例子，其中OPA637和OP37 只能在放大倍数5倍或以上的电路中使用（稳定），如果在小于这个放大倍数的电路中使用，性能无法保证，很可能不能正常工作（相反OPA627和OP27可以）。因此，就如此两个系列的运放（还有其它类似的运放），虽然参数分别基本一致，也是不能随意互换使用的。

OPA637在放大电路增益等于或大于5时使用，摘自“OPA637数据表”

4）价格越贵越好吗？

BiFet工艺比单纯BJT工艺更加复杂，所以JFET输入的运放价格一般比BJT输入的更贵。BJT输入的运放更适合于低输入源电阻的电路，JFET的则相反，各有各的长处，以及适合应用发挥场合。

另一个情况，提高直流性能也是要有一定成本的，高精度的运放也相对昂贵。运放在音频应用中对直流性能并不敏感，因而付出的这代价可能得不到回报，有时还可能适得其反，产生不利影响。

因此，可按实际情况选用合适的运放，而非是价格越贵就越好。

5）金属、陶瓷比塑料封装的更好吗？

同一个型号不同封装的运放，主要的性能指标是基本一致的，没有任何本质的差别。不同封装只在有些参数上有微小的不同，如热阻、温度变化等等。至今，没有任何明确理论依据来证明哪个封装的性能或声音更好。

运放常用封装形式

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小结

运算放大器型号繁多、技术手段多样。然而，只要电路设计合理，运放性能良好且能够正常工作，很多时候人耳是难以分辨出不同运放的声音差别的。非常何马，希望大家能理性看待、合理使用运放。作为模拟电路精彩世界的重要部分，一篇文章是很难覆盖运放的方方面面，遗漏、差错也一定难免，欢迎大家补充、指正。

头条@非常何马，2021.04.15

参考资料：

【1】 Analysis and Design of Analog Integrated Circuits, Fifth Edition, Paul R. Gray, Paul J. Hurst, Stephen H. Lewis, Robert G. Meyer, 2009 © JohnWiley & Sons, Inc.;

【2】 Basic Linear Design, Hank Zumbahlen Editor, 2007 Analog Devices, Inc.;

【3】 Op Amp Applications, Walter G. Jung Editor, 2002 Analog Devices, Inc.;

【4】 Small Signal Audio Design, Second Edition, Douglas Self, 2015 Focal Press;

【5】 文中各运放官方“数据表”（略）。

（文尾）