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发表于 2024-8-18 17:31
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早几个月我在diyaudio论坛上闲逛时看到别人贴出来的，道格拉斯所著《Small_Signal_Audio_Design》的节选，是道格拉斯公布在他的Facebook的资料，不涉及知识产权问题，所以我在这里转帖出来供大家学习，机器翻译加人工修改，可能没有那么准确，大概意思可以看懂，最后道格拉斯评价很高的是LM4562和NE5532。
我承认，在这个运放前级中，我“抄袭”道格拉斯关于LM4562的增益设计及高频补偿。
《小信号音频设计》一书
的第109-165页 - 从DOUGLAS SELF先生转到（Facebook）
简介：
多年来，音频设计一直依赖于极少数的集成运算放大器类型; TL072和 5532 多年来一直主导着音频小信号领域。
TL072 具有 JFET 输入，适用于需要可忽略不计的输入偏置电流和低成本的场合。在很长一段时间里，5534/5532 比 TL072 贵得多，因此尽管 TL072 的噪声、失真和负载驱动能力较差，但后者在音频系统中尽可能使用。5534（前身 TDA1034 ）是为电路的关键部件保留的。虽然花了很多年时间，但 5534 的价格现在已经下降到您需要一个很好的理由来选择任何其他类型的运算放大器进行音频工作的地步。
TL072 和 5532 是双通道运算放大器;单个等效物是 TL071 和 5534。双运算放大器几乎被普遍使用，因为包含两个运算放大器的封装通常比包含一个运算放大器的封装便宜，这仅仅是因为它更受欢迎。
但是，还有其他运算放大器，其中一些可能很有用，此处涵盖了选定的范围。
运算放大器属性：失真
关于运算放大器行为的讨论相对较少，涉及非线性失真，这可能是因为它是一个复杂的业务。运算放大器的“精度”密切相关，但该术语通常仅适用于直流操作。这里的精度通常以位为单位，因此“20 位精度”是指误差不超过 2 到 20 的 1 分之一，即 -120 dB 或 0.0001%。
音频信号失真当然是一种动态现象，对频率非常敏感，直流规格在估计它时根本没有用。
失真总是以比率表示，可以以百分比、分贝数或百万分之一表示。随着数字处理的兴起，将失真视为因使用给定数量的位而产生的量化误差变得越来越流行。
运算放大器失真的原因有多种。我们现在将研究它们。
运算放大器内部失真：
这可以称为您选择的运算放大器产生的基本失真。
即使您一丝不苟地避免削波、摆率限制和共模问题，运算放大器也不是无失真的，尽管某些类型（如 5532 和 LM4562）的电平非常低。
如果运算放大器在分流反馈下运行时出现失真，以防止输入端出现共模电压，并且输出负载非常轻，那么它可能完全是内部的，没有除了选择更好的运算放大器外，还需要完成它。如果失真高于预期，则原因可能是将容性负载直接施加在输出端或忽略电源去耦而引起的内部不稳定。后一种效应的典型例子是 5532，如果靠近封装的电源轨上没有电容器，则会出现高失真;100 nF 通常就足够了。使用通用示波器在输出端看不到实际的高频振荡，因此问题可能是其中一个中间增益级的不稳定。
压摆率限制失真：
虽然这本质上是一种过载情况，但这完全是设计人员的责任。如果用户将增益提高到信号在削波范围内，他们仍然应该能够假设摆率限制永远不会发生，即使使用充满高频的全电平信号也是如此。安排这个不是什么大问题。如果电源轨设置为通常的最大电压，即±18 V，则最大可能的信号幅度为12.7 Vrms，忽略输出级的饱和电压。要在20 kHz频率下清晰地再现该电平，最小压摆率仅为2.3 V/μs。大多数运算放大器可以做得比这更好，尽管使用OP27 （2.8 V/μs）。旧的 LM741 看起来似乎无法使用，因为其非常有限的 0.5 V/μs 压摆率仅允许高达 4.4kHz 的全输出摆幅。
尽管现在看起来很可怕，但在 1970 年代初期，充满 LM741 的音频路径非常普遍。整个调音台没有其他有源设备，人们的抱怨往往是关于噪音而不是失真。这样做的原因是 20 kHz 的全电平信号在现实中根本不会出现;众所周知，音频频谱中高频端的能量远低于低音端的能量。这假设摆率限制会随着电平的增加而突然开始，就像削波一样。一般情况就是这样。随着输入频率的升高，运算放大器越来越接近摆率限制，输入级将更加努力地工作，以满足补偿电容的需求。该级可以提供的电流量是绝对限制的，当您击中它时，失真会激增，就像您击中电源轨并引起电压削波时一样。在达到这一点之前，线性度可能会降低，但通常只会略微降低，直到接近极限。在处理回转限制时，通常没有必要保持较大的安全裕度。如果您使用的是音频运算放大器领域的常见嫌疑人 TL072、5532 和 LM4562，其最大压摆率分别为 13、9 和 20V/μs，则您不太可能出现任何压摆率非线性失真。
选择合适的运算放大器
直到最近，5532 还是最杰出的。它几乎存在于每个调音台和大量前置放大器中。即使在驱动 600 Ω时，失真也非常低负荷。噪声非常低，输入级电压和电流噪声的平衡与动磁唱头非常匹配;在许多应用中，分立器件没有明显的优势。大批量生产已经将价格降低到需要有充分理由选择任何其他设备的地步。
然而，5532 并不完美。它遭受共模失真。它在输入端具有高偏置和失调电流，这是使用双极性输入级（用于低噪声）而没有任何偏置消除电路的必然结果。5532 在直流精度方面并不处于领先地位，尽管它实际上并没有那么糟糕。失调电压规格为0.5 mV（典型值），最大值为4 mV，而常用的TL072的失调电压规格为3 mV（典型值），最大值为6 mV。当失调电压有问题时，我实际上使用 5532 来替换 TL072，但增加的偏置电流是可以接受的。
不可避免的是，5532 的受欢迎程度和出色的技术性能导致它受到主观主义者的批评，他们试图说服自己，他们可以通过聆听运算放大器播放的音乐来区分运算放大器。这总是让我发笑，因为这个星球上可能没有音乐在到达消费者的途中没有经过一百或更多的 5532。
LM4562 代表了 5532 的真正进步。然而，它仍然要贵得多，而且并不完美——它似乎更容易被过高的共模电压损坏，而且有证据表明它更容易受到射频信号的影响。在某些应用中，例如低成本调音台，双极型偏置电流确实令人讨厌，因为要使它们远离均衡器电位器以防止刮擦噪声，则需要相当数量的阻断电容器。周围有很多偏置电流可以忽略不计的JFET输入运算放大器，但没有明显优于5532的器件。TL072 已在此应用中使用多年，但其 HF 线性度并不是一流的，并且随着输出负载的增加，整个频段的失真会严重恶化。然而，许多 EQ 部分中的运算放大器在分流反馈配置下工作，输入端没有 CM 电压，这大大降低了失真。当需要具有卓越性能的低偏置电流时，OPA2134通常是一个不错的选择，尽管它的价格至少是 TL072 的四倍。
调查的运算放大器：BJT 输入类型
本章的其余部分将介绍一些运算放大器类型并检查它们的性能，其中5532 是比较的常用基础。此处所示的器件不一定是音频运算放大器，但有些器件（如OP275和OPA2134）是专门设计的。然而，它们都以不同的数量出现在音频应用中。首先处理双极性输入运算放大器。
LM741 运算放大器
LM741 仅因其历史意义而在此处列出;我在当时，这是一个最重要的发展，在我看来，这是第一个真正实用的运算放大器。它由 Fairchild 于 1968 年推出，被认为是第二代运算放大器，709 是第一代。LM741 具有（并且确实具有）有效的短路保护和内部补偿，可在单位增益下保持稳定性，并且比其前身更容易在实际电路中工作。很明显，与分立电路相比，它很嘈杂，如果要避免摆率限制，有时必须降低输出电平，但要小心，它可以在音频中使用。LM741 的最后一个徘徊可能是状态可变 EQ 滤波器的积分器，其中无动于衷的噪声性能和较差的转换能力都不是严重问题;有关此应用程序的更多详细信息，请参阅第 15 章。LM741 是一款单运算放大器。双版本是 LM747。图 4.19 显示了 100 Hz 和 4 kHz 之间的区域，其中失真以 6 dB/倍频程上升。这是通常的占主导地位的米勒补偿方案的结果。当压摆率限制开始时，斜率增加，THD随频率迅速上升。
NE5532/5534 运算放大器
5532 是一款低噪声、低失真双极性双通道运算放大器，具有内部补偿功能，可实现单位增益稳定性。5534 是单个版本，内部补偿增益低至 3 倍，并且可以添加一个外部补偿电容器以实现单位增益稳定性;22 pF 是通常的值。5532 通过在输入晶体管的发射极电路中设置退化电阻器来降低开环增益，从而实现单位增益稳定性，这就是它比 5534 噪声更大的原因。输入的共模范围为健康的±13V，如果超过该范围，则不会出现相位反转问题。它的功耗明显高于 TL072，静态时每个运算放大器部分的功耗约为 4 mA。DIL版本在±17 V电源轨上静止时运行温度明显变热。5534/5532具有双极晶体管输入器件。这意味着它提供低噪声和低源电阻，但通过输入引脚吸收相对较高的偏置电流。输入器件为NPN，因此偏置电流从正电源轨流入芯片。如果输入通过一个显著的电阻馈入，则由于偏置电流引起的压降，输入引脚将比地更负。输入端与背靠背二极管连接在一起，用于反向电压保护;并且不应强行拉到不同的电压。5532 用于线性操作，不建议将其用作比较器。
从图 4.20 中可以看出，即使在驱动最大 500 欧姆负载时，5532 也几乎无失真。5532 的内部电路从未得到官方解释，但似乎由嵌套的米勒环路组成，允许高水平的内部负反馈。5532 是 5534 的双通道，比单通道更常用，因为它每个运算放大器更便宜，并且在单位增益下使用时不需要外部补偿电容。5532/5534 由几家公司制造，但它们并非都是平等的。Fairchild、JRC 和 ON-Semi 的产品在 20 kHz 及以上时具有显着较低的 THD，我们在这里谈论的是两到三倍。5532 和 5534 型运算放大器要保持稳定，就需要充分的电源去耦;否则，它们似乎会受到某种内部振荡的影响，从而降低线性度，而在普通示波器上却不可见。基本要求是+ve和-ve电源轨之间应有一个100 nF电容去耦，与运算放大器的距离不超过几毫米;通常，每个封装都安装一个这样的电容器，尽可能靠近它。没有必要，而且通常不希望有两个电容器接地;电源轨和接地之间的每个电容器都有将电源轨噪声注入接地的风险。
LM4562 运算放大器
LM4562 是一款新型运算放大器，于 2007 年初首次免费提供。它是美国国家半导体公司的产品。它是一个双通道运算放大器，没有单通道或四通道版本。它的成本大约是 5532 的十倍。输入噪声电压典型值为 2.7nV/√Hz，远低于 5532 的 4nV/√Hz。对于具有低源阻抗的合适应用，这转化为 3.4 dB 的有用噪声优势。偏置电流典型值为10 nA，非常低，通常意味着使用了偏置消除及其随之而来的噪声问题。然而，在我的测试中，我没有看到过多噪声的迹象，数据手册也没有关于这个问题。到目前为止，内部电路的细节还没有公布，而且很可能永远不会公布。去耦并不繁琐，与5532一样，靠近封装的电源轨两端的100 nF应确保HF稳定性。压摆率典型值为±20 V/μs，是5532的两倍多。图 4.22 中的第一个 THD 图显示了 LM4562 在分流反馈模式下以 2.2 倍的闭环增益工作，工作在 10Vrms 的高电平下。THD 刻度的顶部为 0.001%，在本次调查中，您将看到其他运算放大器。空载走线与 AP SYS-2702 输出几乎没有区别，即使在 10 Vrms 驱动的 500 Ω 重负载下，也只有非常少量的额外 THD，在 20 kHz 时达到 0.0007%。图 4.23 显示了 LM4562 在串联反馈模式下以 3.2 倍的增益工作，两种模式的噪声增益均为 3.2 倍。从 500 Ω开始几乎没有额外的失真。
图4.22和图4.23的反馈电阻分别为2k2和1 kΩ，因此反相输入端的最小源极电阻为687 Ω。在图 4.24 中，额外的源电阻与输入路径串联（如上一节中关于共模失真的 5532 所做的那样），这揭示了 LM4562 的一个显著特性——它比 5532 更能抵抗共模失真。在 10Vrms 和 10kHz 下，当源电阻为 10kΩ 时，5532 产生 0.0014% 的 THD（见图 4.6），但在相同条件下，LM4562 仅提供 0.00046%。我强烈怀疑 LM4562 具有比 5532 更复杂的输入级，可能集成了级联编码以最大限度地减少共模电压的影响。请注意，只有右侧的上升曲线表示实际失真。LF端水平走线水平升高是由于额外的串联电阻产生的Johnson噪声。花了将近 30 年的时间才出现比 5532 更好的音频运算放大器，但终于实现了。LM4562 在几乎所有参数上都表现出色，但它的 cu 要高得多伦特噪音。目前它的价格也要高得多，但希望这种情况会改变。
AD797运算放大器
AD797 （Analog Devices）是一款单通道运算放大器，具有极低的电压噪声和失真特性。它似乎主要是为潜艇声纳的无成本应用而开发的，但它在普通音频中非常有效——如果你能负担得起的话。成本大约是 20 的 5532 倍。没有双版本可用，因此每个运算放大器部分的成本比是 40 倍。就电压噪声而言，这是一个非常安静的器件，但由于输入器件中的高电流，电流噪声相应较高。早期版本似乎很难在 HF 下稳定下来，但目前的产品并不比 5532 更难应用。可能是设计调整了，或者另一方面，我的印象可能完全错误。AD797具有巧妙的内部失真消除功能。制造商的数据表对此进行了描述。图 4.25 显示它有效工作。
OP27运算放大器
ADI公司的OP27是一款双极性输入、单通道运算放大器，主要设计用于低噪声和直流精度。它不适用于音频用途，但尽管如此，它经常被推荐用于 RIAA 和磁带头前置放大器等应用。这是不幸的，因为乍一看，OP27似乎比5534/5532更安静，因为en为3.2nV/√ Hz，而5534为4nV/√ Hz，但实际上它通常噪音略大。这是因为OP27实际上针对直流特性进行了优化，因此具有产生共模噪声的输入偏置电流消除电路。当两个输入端的阻抗差异很大时（RIAA前置放大器就是这种情况），CM噪声不会消除，这似乎会显著降低整体噪声性能。对于双极性输入运算放大器，似乎存在高水平的共模输入失真，足以掩盖负载引起的输出失真;见图 4.26 和 4.27 。这很可能也与偏置消除电路有关，因为它不会出现在 5532 中。与其他运算放大器相比，最大压摆率较低，典型值为2.8 V/μs。但是，这不是它可能出现的问题。如果电源轨允许，该压摆率将允许在20 kHz时的最大幅度为16 Vrms。我从未遇到过OP27的去耦或稳定性方面的任何特殊困难。
OP275运算放大器
ADI公司的OP275是为数不多的专门作为音频器件销售的运算放大器之一。其最有趣的特性是 Butler 输入级，它结合了双极性和 JFET 器件。这个想法是，双极性提供精度和低噪声，而JFET提供速度和“JFET的音质”。在主要制造商的数据表上看到最后一句话并不是一件令人高兴的事情;JFET的声音（如果有的话）将是高失真的声音。请告诉我们事实。OP275是一款双通道运算放大器;没有可用的单一版本。它相当昂贵，大约是 5532 价格的六倍，而且它在大多数方面的性能都较差。它噪音更大，失真更高，并且不喜欢重载（见图 4.30 和 4.31）。CM 范围为 o电源轨之间大约有三分之二的电压，并且由于输入级的BJT部分，I偏置很高。除非您认为BJT/JFET输入级有什么神奇之处（我很确定没有），否则最好避免使用。在600 Ω负载下，10 kHz时的THD为0.0025%（分流）和0.009%（串联反馈）;输入级存在明显的CM失真，几乎可以肯定来自JFET（我很欣赏输出电平不同，但我认为这仅占THD差异的一小部分）。JFET非但没有给输入级增加神奇的特性，反而似乎只是让情况变得更糟。
受访运算放大器：JFET输入类型
与BJT输入类型相比，具有JFET输入的运算放大器往往具有更高的电压噪声和更低的电流噪声，因此在高源电阻下具有更好的噪声性能。其极低的偏置电流通常可以简化电路。
TL072 运算放大器
TL072 是最受欢迎的运算放大器之一，具有非常高的阻抗输入，具有有效的零偏置和失调电流。JFET输入器件在1 kΩ–10 kΩ范围内的中等阻抗下具有最佳噪声性能。它的功耗适中，每个运算放大器部分的功耗通常为 1.4 mA，明显低于 5532。压摆率高于 5532，分别为 13 V/μs 和 9 V/μs。TL072 是一款双通道运算放大器。有一个称为 TL071 的版本，它具有偏移零引脚。但是，TL072 不像 5532 那样没有 THD。在音频使用中，失真主要取决于输出的负载量。最大负载是质量和电路经济性之间的权衡，我会将 2 kΩ 作为下限。该运算放大器不是音频使用的首选，除非接近零的偏置电流（通过不需要阻断电容器来实现电路经济性）、低价格或适度的功耗是主要因素。该器件的一个特点是，输入共模范围不会在电源轨之间一直扩展。如果共模电压达到V-轨的几伏以内，则运算放大器将发生相位反转，并且输入将交换极性。可能会出现非常可怕的削波，输出击中底部电源轨，然后向上射出以击中顶部电源轨，或者舞台可能只是锁定直到电源关闭。 TL072 在电源轨去耦方面相对宽松，但如果它们位于较长的细电源轨的末端，它们有时会显示出非常明显的振荡。通常，每几厘米一个或两个轨到轨去耦电容（例如100 nF）通常足以解决这个问题，但通常的做法是不要冒险，并允许每个封装使用一个电容，就像其他运算放大器一样。由于共模失真，分流配置中的 TL072 总是更加线性。特别是比较图 4.32 和 4.33 中 3k3 负载的结果。在较重的负载下，差异几乎看不见，因为大部分失真来自输出级。TL072/71 运算放大器如果输出引脚上面临较大的接地电容，则容易出现 HF 振荡;当它们被用作具有 100% 反馈的单位增益缓冲器时，这种情况尤其可能发生。有时几英寸的轨道就足够了。这可以通过分离来治愈电阻器，在 47 至 75 Ω范围内，与输出串联，放置在轨道的运算放大器端。
OPA2134运算放大器
OPA2134 是 Burr-Brown 产品，是 OPA134 的双版本。制造商声称，由于其JFET输入级，它具有卓越的音质。令人遗憾但并不令人惊讶的是，没有证据支持这一说法。输入噪声电压为 8nV/√ Hz，几乎是 5532 的两倍。压摆率典型值为±20 V/μs，这已经足够了。它似乎没有针对直流精度进行优化，典型失调电压为 ±1 mV，但这通常足以满足音频工作。我曾多次将其用作功率放大器中的直流伺服器，低偏置电流允许高电阻值和相应的小电容器。该OPA2134在共模范围内的任何地方均未出现相位反转，这立即表明其优于 TL072。图 4.36 和 4.37 中的两个 THD 图显示了该器件在分流和串联反馈模式下以三倍增益工作。很明显，在串联图中出现了一个问题，其中 THD 在 5 Vrms 和 10 kHz 时高出约 3 倍。这种失真随着电平的增加而增加，这立即表明输入级存在共模失真。即使负载适中，失真也会增加;参见 图 4.38 。
这是一个相对现代和复杂的运算放大器。当您需要 JFET 输入时（通常是因为较大的输入偏置电流会是一个问题），这绝对优于 TL072;然而，它的价格要贵四到五倍。
OPA604 运算放大器
Burr-Brown 的 OPA604 是一款单通道 JFET 输入运算放大器，专为实现低失真而设计。数据手册中的简化内部电路图包括一个神秘的盒子，上面有趣地标有“失真抑制电路”。这显然“使开环响应线性化并增加电压增益”，但没有给出如何实现的细节;那里的任何东西似乎都已获得专利，因此应该可以追踪它。然而，尽管如此，即使在没有负载的情况下，失真也不是很低（见图4.39），并且明显不如5532。OPA604 未针对直流精度进行优化，典型失调电压为 ±1mV。OPA2604是双通道版本，它省略了偏移空引脚。数据手册中包括一个讨论，试图证明JFET输入比BJT输入产生更令人愉悦的失真类型。这不合理地忽略了这样一个事实，即BJT的跨导要高得多，这意味着它们可以通过发射极退化进行线性化，因此它们产生的任何类型的失真都比JFET输入小得多[7]。鉴于 OPA604 的成本是 5532 的五倍，目前尚不清楚在什么情况下该运算放大器会是一个不错的选择。
OPA627 运算放大器
Burr-Brown 的 OPA627 是一款经过激光调整的 JFET 输入运算放大器，具有出色的直流精度;输入失调电压典型值为±100 μV。即使在 600 Ω负载下，失真也非常低，尽管当使用串联反馈时，通常的共模失真会增加失真。OP627为单通道运算放大器，无双通道版本。OPA637 是去补偿版本，仅在闭环增益为 5 个或更多时稳定。这个运算放大器使一个 brillia用于功率放大器的 nt 直流伺服，如果您负担得起;它的成本大约是 5532 的 50 倍，每个运算放大器部分比 5532 多 100 倍，每个运算放大器比 OPA2134 多大约 20 倍，这是我通常选择的直流伺服工作。电流噪声非常低，是本书研究的所有运算放大器中最低的，这显然是由于使用了Difet（介电隔离JFET）输入器件，因此它将在高源电阻下提供良好的噪声性能。电压噪声在5.2 nV/√ Hz时也非常可观，仅比5532高一点。串联反馈情况几乎没有比分流情况更大的失真，而且仅在极端高频端。Difet输入技术似乎也能很好地防止输入非线性和CM失真。见图4.40和4.41。 |
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发表于 2024-8-18 11:58
