顶级运放如何做出顶级声音---老虎180手把手教你如何用好OPA627和AD797

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AD797作为一款低噪声高速运算放大器，其性能指标堪称完美。该运放内部采用Flold-Cascode结构，以及高偏流设计，噪声低至0.9VHZ,增益带宽积高达110M。此外，该芯片在20KHz时的THD指标可达到-120dB,即0.0001%的水平，在同类芯片中也是非常出色的；该芯片的电流驱动能力也达到了50mA的水平。在种类繁多的运算放大器里，AD797应该当之无愧的被称作运算放大器的王者。

    OPA627是Ti公司的一款高性能放大器，增益带宽积16MHz，转换速率55V/uS，更为可贵的是，其THD指标在1KHz时也达到了0.00003%的低水准（20KHz时的指标手册上未标注，估计和AD797相当?）。

    Hi-fi爱好者总是希望通过摩机来提升机器的性能。更换运放为更高规格的制品，无疑是最简单和最方便的方式。可是大多数爱好者在用AD797进行“摩机”时，似乎并没有取得最佳的效果，出现了很多状况，例如：输出产生自激震荡...中点电压偏离正常值较多...声音不自然，效果甚至还不如常见的NE5534等...遇到了这些状况，使得很多朋友对该款运放产生了怀疑，甚至认为自己买到了假货。

   其实，遇到这些情况，大多是对该运放特性不了解导致的。只有深入了解了AD797这款运放，才会在应用中，充分发挥出这款运放的优势出来。而这一点，正是很多通用的教科书上找不到的。本文用Hi-fi DIY常见的Ti公司基于介质分离工艺制作的JFET输入的优秀运算放大器OPA627和AD797进行比对，阐述应用场景和运算放大器选择之间的关系。

下面，就针对如何用好这两款运放进行详细的阐述。

一、电路噪声
   很多有经验的DIY发烧友都提到，AD797对输入电阻要求比较高。其实这不是什么特殊的地方，有这么一大类运算放大器和AD797一样，都是属于对输入电阻要求比较高的类型…

    是什么原因造成这样的状况呢？我们在设计时应如何把握和取舍？这要从运算放大器的总输入噪声电压密度谈起。

    运算放大器的总输入噪声电压是运算放大器的噪声电压、噪声电流流经输入电阻上产生的噪声电压、以及输入电阻本身的热噪声三者之和。这一点，是我们在很多场合，选择不同类型的运算放大器的一个依据。如果将这些以单位频宽来衡量，就变换成了总输入噪声电压密度和噪声电压密度、噪声电流密度、电阻热噪声三者的关系了。下面，我们再深入探讨一下。

    先谈一下输入噪声电压密度。运算放大器输入噪声电压密度是和其内部输入级差动晶体管的集电极电流相关的。大致关系如下：



    针对运算放大器电路而言，总的噪声电压密度可以表示为：

    也就是说，运算放大器总的噪声电压密度等于电压噪声密度、同相和反相端的电流噪声密度在输入电阻上产生的电压噪声密度、同相和反相端的输入电阻本身的热噪声电压密度三者之和。

    经过以上分析，其实不难得出结论，那就是：每款运放都有适合自己的一个工作点范围，在这个范围内工作，运放的噪声是可控的，超出这个范围，噪声特性会恶化。

    下面，我们理论联系实践，分析一下如何更好的应用好AD797和OPA627两款运放。场景如下：

场景1：前级放大器的放大电路，应选择哪款运放，电路参数应如何确定？

    这个问题看似宽泛，可能有的朋友会想，不管哪一款运放，只要能工作在最佳状态，效果都不会太差。这个想法看似正确，但放到特定场景下，就不一定正确了。假定这个前级放大电路是有10dB（3倍）增益的电路，电路由一级运放组成…

    首先，考虑线路增益。反相输入时，电路增益等于反馈电阻除以反相端输入电阻。这里需要特别注意的是，这个反相端输入电阻里面是包含信号源内阻，也就是音源的输出电阻的！由于配搭音源的内阻的不确定性，将导致线路的增益不确定！

    我们再看一下同相输入的情况。此时，电路增益由反相端对地电阻和反馈电阻决定。增益问题不存在了。但我们仍然考虑信号源内阻。假设信号源内阻为2K欧姆，AD797的同相、反相端输入电阻均为1000欧姆，此时，总的输入电阻为3.5K欧姆，这时若采用AD797为输入放大，系统的总的噪声电压系数为：


    因此，我们发现，在信号源输入阻抗不确定的情况下，采用OPA627进行设计将会有更大的宽容性，电路性能受外部影响较小。

    同理，衰减式音量控制电路的输出缓冲级，情况也是如此。这一级电路，如果采用AD797，可能会因为输入信号阻抗变化过大导致本级电路性能的不确定，噪声随音量变化较大。而当采用OPA627时，这个问题就会得到圆满解决。

二、输出失调电压
    我们再回到上面这个场景。此时，我们不考虑噪声问题，而去考虑另外一个因素：输出失调电压（也就是我们常说的中点电压）。

    谈到这个问题，我们需要关注三个指标：输入失调电压、输入失调电流和输入偏置电流。

    输入失调电压是指在常温下，运算放大器输入口短路接地时，输出端的失调电压折合到输入端口的电压值。

    输入失调电流是指当运放输入端口开路时，为了得到0输出，必须加到运放两个输入端的补偿电流。

    输入偏置电流是指当常温下，输入信号为0且0输出时，两个输入端的偏置电流。

    如果我们在前级放大器设计时仍然考虑信号源内阻。假设信号源内阻为2K欧姆，AD797的同相、反相端输入电阻均为1000欧姆，前级放大器增益为3倍（10dB），我们试计算一下AD797的输出失调电压。

    查AD797规格书可知，AD797的输入失调电压为25uV，输入失调电流为100nA，输入偏置电流为0.25uA。输出失调电压的计算方法为：

25uV×3+(2000+1000+1000)Ω×100nA+(2000+1000-1000)Ω×0.25uA
   =(75+400+500)uV
   =975uV
  
  如果信号源内阻变为5K欧姆的情况下，输出失调电压的数值将变为：
  75+700+1250=2025uV

  显然，这个数值是无法接受的。我们再更换为OPA627型号的运放，再计算一下。查OPA627运放的规格书可知，OPA627的输入失调电压为40uV，输入失调电流为0.5PA，输入偏置电流为1pA。在信号源内阻为2K和5K情况下，输出失调电压分别为：
   40×3uV+4000Ω×0.5PA+2000Ω×1PA=120.003uV
   40×3+0.0035+0.005=120.0085uV

  从以上分析可以看出，在这种情况下，采用OPA627也可以保证较好的性能。

三、补偿电容和稳定性
  OPA627和AD797都属于全增益范围内稳定的品种。对于运算放大器而言，单位增益是最不容易稳定的。全增益范围稳定意味着在运算放大器用做缓冲器时，我们不需要额外进行补偿就可以稳定工作。

  但即便是单位增益的buffer电路，OPA627和AD797也有着较大区别。如下图所示，OPA627可以在教科书般经典的电压跟随器电路下很好的工作，而AD797在这样的电路之下就存在一些稳定性问题，而需要采用指定电路解决该稳定性问题。


    AD797片内有一个失真消除电路，通过6脚和8脚之间的电容实现内部高频失真的消除。这里需要注意两点：首先，这个电容的容量是需要精确等于50pF的，容量误差越大，失真消除效果越不明显。其次，这个电容仅对高频段和高增益应用场景（例如增益为1000倍）适用。实际上，50pF电容难觅，可以考虑数个高精度电容并联实现。

    需要注意，该电容只能用于高增益情况下降低高频率失真。设计中如果全都添加该电容，那么我们将会享受到前所未有的美妙的高频，低频会很单薄。这种情况想必一定有朋友遇到过吧？

    实际应用上，AD797输出如果接感性负载（如驱动耳机），也会引发震荡。这一点需要格外重视。相比之下，OPA627稳定性就要好很多。

    选择运算放大器时，要特别关注运放是否可以在单位增益稳定。一些运放是不能再单位增益下稳定的，此时用于缓冲器电路就会出现稳定性问题。例如常见的另一款运放OPA637就是只能在5倍增益下稳定，而不能工作在单位增益下。此类运放就不适合做电压缓冲器。

四、发挥AD797的特性
  前面论述过，AD797不适合用做高输入电阻的缓冲、放大级。但是毕竟它是一款性能非常优异的运放，运用得当，就可以获得非常优异的性能。

  例如,AD797用于阻抗变换Buffer之后的主电压放大级。

  仍以3倍增益为例。如果信号源内阻可以忽略，运放同相端、反相端电阻均为100欧姆，反馈电阻200欧姆，计算总噪声电压密度、输出失调电压如下（计算过程略）：

      总噪声电压密度为2.2(nV√Hz)
         输出失调电压为95(uV)

  这个特性是相当优越的。也是其它型号的运算放大器基本无法达到的。这时，其它型号的运算放大器可能会因为反馈电阻和输入电阻阻值过低，超出了运放的电流输出能力而不能很好的工作， AD797的性能就被充分发挥出来了。

  综上所述，发挥AD797性能的要点在于：确定的低信号源内阻，较低的输入电阻值，以及同相、反相输入端电阻值匹配。

五、摩机时需要注意的问题

   通过以上分析可以看出，在摩机替换运放时，并不是简单的更换，而是需要对应用场景进行研究的。原则上讲，OPA627这类JFET输入级的单位增益稳定的运放，可以比较方便的替换其它通用运放，而在性能上不会引发大的偏差。如果和AD797之间相互替代，就会牵涉到场景和外围电阻等的修改了，而不能简单直接替换，否则效果会大打折扣的。

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六、应用实例
   下图是本人（老虎180）设计的Hi-end 平衡前级的框图。

从框图上看，这是一个平衡前级电路。接下来，针对该平衡前级线路进行设计。

输入缓冲和阻抗变换级的设计：
    输入缓冲和阻抗变换级的主要功能是将来自前级的信号经过缓冲和阻抗变换，转换为低阻抗的信号。此级电路，选择AD797运放，是会有巨大风险的（理由前面已经阐述）。因此，选择OPA627运放作为该级的放大，以保证电路性能的稳定。

下面，针对该级电路进行设计和指标估算：
    前述，反相放大器的增益会随信号源内阻影响而变化，因此，本设计选用同相放大电路。OPA627同相放大电路为一经典电路，不再重复。经查该运放规格书，可知，其噪声和输入电阻之间的关系（见下图）：


    Rs越低，运放总体噪声越小。在200欧姆时达到最小值（约4.5nV/Hz），在200欧姆到1K欧姆之间，噪声缓慢增加到5.5nV/Hz。输入电阻超过10K欧姆时，运放总体噪声已经超过了10nV/Hz。
又考虑到，输入电阻过低，可能会导致在更换为其它型号的运放时，运放输入级过载。这个问题当采用NE5534或NE5532时就会遇到。这是因为以上两款运放输入级为了防止Biploar过载，增加了正反二极管的保护电路所致。考虑到电路的通用性，故不能采用过低的输入电阻。

    综上所述，输入电阻的阻值可在300欧姆至1K欧姆范围内选取。此时系统仍可保持一个相对低的噪声水准。即便信号源内阻增加到5K，整体噪声也可控制在9nV/Hz以内。结合多种因素考虑，最终输入电阻可暂定为1K。
下面，贴出AD797的规格书中输入电阻和总体噪声的图，来验证本设计的正确性。



   从图上可以看出，虽然在低输入电阻的部分OPA627噪声要高于AD797，但在主要工作区间，OPA627的总体噪声都是要低于AD797的，针对器件的选型和参数整定是正确的。当然，该场合选择AD797，可能在调试或仿真时也会有不错的性能，但实际应用时，遇到输出阻抗高的信号源，总体性能就会恶化，这一点要特别注意。

差动放大级的设计：
    差动放大级的主要功能是完成平衡到不平衡的转换。本级电路由于前面已增加缓冲和阻抗变换级，输入电阻已不是问题，因此两种运放都有得到应用的机会。在这种情况下，应如何选择？由于本级是平衡到不平衡的转换，因此针对线路上的共模噪声的抑制性能就显得格外重要，因此需要重点关注这个指标。

    查看规格书，可以比对OPA627和AD797两款运放在共模抑制方面的差异。如下：



查阅上图可以看出，无论在低频段，还是在高频段，AD797的CMR特性均优于OPA627。因此，本级电路首选AD797，以获得更为优越的共模噪声抑制性能，从而降低外界的干扰。

   在电路参数选择上，AD797输入电阻阻值不可大于1K欧姆，否则噪声会急剧恶化。考虑到更换运放方便起见（和其它类型运放的通用性），输入电阻暂定为1K欧姆。此时，输出总体噪声约为7.9nV/Hz水平。
   
阻抗变换级设计（差动放大之后，音量衰减之前那一级）：

   本级的输入是差动放大级，因此也不存在信号源输入阻抗的问题。那么在这一级的设计上，应考虑哪些问题呢？


    再次对比规格书，我们发现，在输出电流能力方面，OPA627在25度常温下，最大输出电流范围约在45-68mA之间。而相比之下，AD797的输出电流能力可以达到85-95mA。此时，AD797更接近一个理想运放。再看THD失真指标，在单位缓冲器条件下，OPA627的THD在1KHz时可达0.00003%，这是一个非常优秀的水平。但我们再看20KHz的数据，发现OPA627的THD急剧恶化为0.0005%。相比之下，AD797给出的20KHz的数据，THD为-120dB，也即0.0001%的水平。同时，AD797还给出了在250KHz时的THD，此时的THD指标为-98dB ，也即0.0015%的水平。而OPA627在这个场景下确没有数据。相信也会按照20dB/十倍频程的规律恶化。从这个意义上看，在条件许可的前提下，尽可能选择AD797是明智的。

阻抗变换级设计（音量衰减之后那一级）：
    这一级的设计，需要考虑衰减式音量控制引发的输入电阻的变化了。因此，还是只能保守的选择OPA627作为放大。此时，若选择AD797，则电路噪声会急剧恶化，性能是无法得到保障的。

主放大级设计:
    尽可能选用AD797。由于电压放大级有增益，反馈电阻阻值比输入电阻阻值大，此时，可以考虑以较小的输入电阻来进一步提升AD797的性能。

   若选择300欧姆的输入电阻，则电路的总噪声系数可控制在1.3nV/Hz的低水平上！同时，输出失调电压也可控制在数十uV的低数量级。加上极低的THD指标和辅助的外围电路设计，最终可以获取非常高的总体性能。

   通过以上实例，我们亲历了运算放大器的选型和设计过程。这个过程不但对我们进行运放电路设计时有帮助，在其它放大器的设计中，也同样适用。预祝大家DIY愉快！
<全文完，谢谢大家！>

克莱饭

老虎180 是什么东西？

给楼主一个建议：
如果是转贴，请尊重别人，把“转贴”加上，然后为表尊重大家，请把图片里的地址去掉。

高高手

学习了，很好的教程和设计思路啊，我也在想这些，呵呵，但是感觉这样缓冲又变换的太麻烦了，所以一直没有做，等等的一定要做一个，采用全贴片式的，保证更好的高频性能和更低的噪声指标。再次向楼主致谢。如有不懂还望多多教诲

高高手

一不小心还弄个沙发。哈哈，这个思路是一致的，但是按照楼主的思路来估计用好797发挥好我总觉得自己还有很大的困难。一点点来吧

穷人穷玩法

太复杂了，还是换电源线保险管效果好

lianhui

这贴很熟悉，楼主是老虎

XiaoMi

看完也需要时间，顶

hillking

意思就是我们要用OPA627来做缓冲，AD797做放大呗？
最好能设计一个电路，用627做缓冲和阻抗变换、797做放大，能同时发挥2种运放的优势

3000WR牛做功放

这个文章非常非常好

3000WR牛做功放

这个文章非常非常好

fbl

美女总是那么难侍候！

gqhsy

这个还是值得细看的

33x

一口气看完，学了不少。继续求教一下绝招。呵呵

cheh

顶技术贴， 真正能用好运放的人其实并不多。

07多特

技术贴，要认真的看，顺便留爪。

hz_zhc

老虎180 是什么东西？

给楼主一个建议：
如果是转贴，请尊重别人，把“转贴”加上，然后为表尊重大家， ...
克莱饭 发表于 2011-9-27 20:40

    三楼何来如此大意见？图片里的标志就是楼主自己的，早看过好多次了。有何不妥？不觉得！“没有调查就没有发言权”---毛主席说的。