本应用手册涵盖了基于图 1-1 中的简化原理图的所有运算放大器，该原理图中包含的一个独特输出级在发布时具有革命性意义。与当时的其他运算放大器不同，它支持近地的输出电压，适用于单电源设计。约 50µA 的电流调节器可将输出下拉至近似接地，因为其他晶体管发射极没有强大的反向电流，这与同期的其他运算放大器不同。

图 1-1 数据表中的器件原理图

温度范围和通道数用于创建基本器件型号。器件名称中的“-N”表示由 National Semiconductor 提供的器件，它们与德州仪器 (TI) 当前的基本器件型号一致。National Semiconductor 和 TI 使用不同的封装后缀，因此没有可订购的重复器件型号。某些基本型号可能会在末尾包含“A”，但这不会影响温度范围。

粗体器件型号的工作温度范围与规定的温度范围完全一致。非粗体器件型号可在规定的温度范围内或超出规定的温度范围工作。但请注意，LM2904 是双通道运算放大器，而 LM2902 是四通道运算放大器。

V_IO（也称为 V_os）容差也有等级选项。与没有“A”的相同器件型号相比，器件型号后缀中的“A”表示具有更出色的 V_IO 规格。

默认最大电源电压为 30V；然而，LM290X 器件的最大额定电源电压为 26V。LM2902 和 LM2904 器件的后缀中带有“V”，这表示最大电压高达 32V。两个例子是 LM2902KAVQDR 和 LM2904AVQDR。后缀中带有“B”的所有器件的最大额定电源电压为 36V；例如 LM358BIDR、LM2904BAIDR、LM324BIPWR 和 LM2902BIPWR。

双通道和四通道运算放大器有很多高可靠性选项。要了解更多信息，请访问双路高可靠性和四路高可靠性运算放大器产品列表，以了解关于参数搜索的高可靠性选项。

本应用手册不包含这些器件的资质和等级。

出于 ESD 目的，器件名称中的“K”和“B”后缀具有相同的含义。运算放大器后缀中的“K”或“B”表示 HBM ESD 等级为 2kV。例如，LM324K、LM324KA、LM324B、LM2902K、LM2902KA、LM2902B、LM2902KAV、LM2904B 和 LM358B 的 HBM 等级均为 2kV。

当需要更好的 ESD 保护时，应在设计时采用系统级 ESD 解决方案。

“B”后缀指基于改进器件的先进晶圆工艺的新器件变体版本。最大供电电压增加到 36V；输入端添加 EMI 滤波器；输入失调电压降低（后缀带有“A”的器件为 3mV 或 1.8mV）；测试低 V_OL 灌入驱动电流增加（从 12µA 增加至 50µA），以支持更低的电阻反馈网络和更大的负载电流；I_B 最大值降低（从 –250nA 降至 –35nA）；2kV HBM ESD 是标准配置。大多数数据表规格使用端接至 1/2 Vs 的负载设置来匹配现代数据表测试条件。

图 2-1 中的输入级包含额外的电流源线（以红色框显示），数据表的简化原理图中未绘制这些线。达林顿输入级中的所有 PNP 发射器都有电流源连接。这些连接可确保恒定的输入偏置电流不随差分输入电压变化，从而为输入电阻提供高效输入。如果没有红框电流源，随着差分输入电压的变化，输入偏置电流将从零变化到正常偏置电流的两倍。这在其他双极晶体管输入运算放大器上很常见。TS321 是此规则的一个例外情况，因为它没有额外的电流源。

图 2-1 具有所有电流源连接的输入级原理图

在整个温度范围内，推荐的共模范围为 0V（相对于负电源）至 V_CC – 2V。但是，实际共模范围上限变化约为 4mV/°C，低温会降低共模电压范围的上限。如果片上温度高于 125°C，V_CM = 0V 时的失调电压可能会降级。

请注意，当用作比较器时，只有一个输入端需要在共模范围内。另一个输入端可高于共模范围或高于 V_CC，输出将为预期的 V_OH 电平（对于 V_in+ > V_in–）或 V_OL 电平（对于 V_in – > V_in+）。如果两个输入端都超出共模范围上限，则输出未定义；它可能是 V_OL 或 V_OH 电平，结果可能会因器件、批次、流程、温度等而异。如果任一输入端或两个输入端相对于负电源都低于 –0.3V，则可能会流过过大的输入电流，并且输出可能会显示反相，也称为反转。

输入端不存在到达 V_CC 的内部二极管，因此输入电压会超过 V_CC 电压。如果发生这种情况，由于在输入 PNP 晶体管中形成反向偏置二极管，输入端将阻止电流流动。即使 V_CC 等于 0V，电流流动也会受阻。如果任一输入端或两个输入端都超过最高 V_CC 等级，则会发生结击穿。根据相应器件数据表绝对最大额定值 表中的表注，这可能会导致永久性器件损坏。

输入级采用达林顿 PNP 配置，所有晶体管发射极上都有专用的内部电流源。因此，输入显示为应用的电流源。该电流是输入 PNP 晶体管的基极电流，其值在数据表中指定为 I_IB。这种有效的输入电流源具有大约 1GΩ 的高阻抗和宽电压顺从范围（从 0V 到低于 V_CC 的二极管压降），包括存在大差分输入电压的情况（参见图 2-3 区域 B）。当输入电压高于 V_CC 以下的二极管压降或大于 V_CC 时，输入变为高阻抗，除了反向二极管泄漏电流外没有电流流过（参见图 2-3 区域 C）。匹配输入电阻可减少 I_IB 的输入失调电压。这可通过在输入端上放置匹配电阻器来实现。请注意，造成的电阻器热噪声的增加可能是无法接受的。

由 5V 电源供电的单位增益缓冲器（如图 2-2 所示）的输入电流曲线如图 2-3 所示。施加负输入电压将使从输入 PNP 晶体管的基极形成的二极管正向偏置到输入引脚上的管芯接地基板。结果将是产生大电流，如 –0.5V（区域 A）附近的垂直斜率所示。0V 和 3.5V 之间的输入（区域 B）具有固定电流 (I_IB)，阻抗约为 1GΩ。区域 C 的范围从 4.5V 到 7V 甚至更高，一直持续到最大 V_CC（这时没有输入电流）。

图 2-2 单位增益缓冲区测试配置

图 2-3 输入电流与输入电压间的关系

图 2-4 输出电压与输入电压间的关系

在某些条件下，输出电压的极性会反转。当放大器的输入端偏离了共模电压范围时，就会发生这种情况，称为“相位反转”。图 2-4 中，区域“A”显示无效输入电压的输出相位反转。相对于接地 V– 引脚的负输入电压可能来自意外来源，例如直流/直流转换器中的开关噪声或接地反弹。当快速下降时间和大电容相结合以在输入端临时设置负电压时，也会出现负输入电压。小于 –0.3V 的输入电压会导致寄生二极管导通，从而使输出端采用最低 V_OL 或最高 V_OH 电平。数据表中未定义在该区域中进行的操作，因为它偏离了输入电压的绝对最大规格。输入电流打开内部寄生 NPN 晶体管，从其他内部节点窃取电流，导致输出相位反转。

不要试图凭经验确定相位反转性能，因为不同的单元可能具有不同的性能。必须避免负输入，并采用单电源配置，除非应用在负输入期间可接受 V_OL 或 V_OH 电平。在无法避免负输入电压的情况下，使用与输入端串联的电阻器以将电流限制在 –1mA 或更低。这个输入电流量不太可能造成任何损坏。如果两个输入都高于共模范围上限，则输出未定义；它可以是 V_OL 或 V_OH。这会影响比较器应用，但正常的负反馈应用通常不受影响，因为输入电压范围的上限与输出高范围 (V_OH) 相同。

运算放大器可提供接近负轨的低输出电压，前提是负载和负载端接电压对 图 3-1 中所示的“恒流阱”驱动器有利。表 3-1 表明，假设负电源轨接地 (GND)，负载为 10kΩ 或更少时，输出低电压小于 20mV。因此，如果负载电阻为 10kΩ 或更小并端接到负轨，则负载电阻有助于“恒流阱”提供非常低的输出电压。

如果运算放大器负载（包括反馈网络）端接正电压，则运算放大器在将输出驱动为低电平时必须灌入电流。图 3-1 中所示的输出级有一个微弱的恒流阱（由一个电流调节器组成），为低电平灌电流提供低输出电压。PNP 发射极跟随器可在更高的输出电压下提供更高的灌电流。

图 3-1 突出显示电流阱驱动器的输出驱动器级原理图

输出引脚可灌入超过 12µA 的电流，并且仍具有低于 200mV 的输出低电平，如表 3-2 所示。在数据表的电气特性表中，典型的输出电流为 30µA 或 40µA。器件原理图中的“~50µA 电流调节器”在本应用手册中被称为“恒流阱”驱动器，因为根据电气特性表，电流值不一定为 50µA。请注意，数据表规格没有最大限制。

当灌入能力高达 12µA 时，输出低电压低于 200mV。在更高的电流电平下，恒流阱不再够用。因此，PNP 发射极跟随器提供此电流。但假设在室温下，在输出电压大约达到 600mV 之前，PNP 发射极跟随器不提供电流。请注意，当 PNP 发射极跟随器处于活动状态时，V_OL 电平的温度系数约为 –2mV/°C。PNP 发射极跟随器提供低输出阻抗，基极电流流向输出负载以提高效率。

图 3-2 所示为低输出电压电平与灌电流之间的关系。可以看出，从恒流阱驱动器（区域“A”）到 PNP 发射极跟随器（区域“B”）有明显的过渡。请注意，顾名思义，恒流阱驱动器始终处于开启状态。

图 3-2 典型输出低电压与输出灌电流之间的关系

图 3-2 显示了两条端接至 5V 的 16kΩ（黑色实线）和 300kΩ（黑色虚线）电阻示例负载线。在整个电源电压和温度范围内，300kΩ 负载线与器件性能曲线在低 V_OL 电平处相交。因此，此负载的预期 V_OL 很低。16kΩ 负载线与器件性能曲线在更高的 V_OL 下相交，后者随温度（而非 V_CC）变化。在此负载下，无法实现与负电源接近的 V_OL。如需具有低 V_OL，则使用高电阻负载或端接至负电源的负载（包括反馈）。

使用运算放大器灌入大电流时，考虑使输入共模大于 0.8V。另外，当同相输入为 0V 且结温较高时，可降低 PNP 发射极跟随器的最大灌电流。图 3-3 显示了在 2V 输出和 125°C 结温下同相输入电压与灌电流之间的关系。名称后缀中带有“B”的运算放大器的 I_OL 对低同相引脚电压不太敏感。

图 3-3 I_OL 与同相引脚电压，V_CC = 5V，V_OUT = 2V，T_J = 125°C

如数据表中的绝对最大额定值表中所述，正电压短路可能会损坏器件。如果相对于 GND 或 V– 引脚的短路电压大于 10V，则更有可能损坏。

与大多数具有轨至轨输出的新型运算放大器不同，该系列运算放大器具有明显低于 V_CC 电源轨的高电平输出电压，无论负载拉电流如何。图 3-4 显示了可提供拉电流的 Darlington NPN 晶体管。有源限流器有助于保护运算放大器和负载免受过流情况的影响。

图 3-4 带有突出显示的电源驱动器和限流器的输出驱动器级的原理图

达林顿 NPN 可提供低输出阻抗，基极电流流向输出负载以提高效率。此设置具有较高的余量要求，可显著降低 V_OH 电平。Darlington NPN 中的两个基极发射极结的组合温度系数约为 –4mV/°C。因此，V_OH 具有相等且相反的温度系数 4mV/°C。根据数据表电气特征 表，V_OH 电平为 V_CC – 1.5V，在 25°C 时，当 V_CC 为 5V，且 2kΩ 负载接时更佳；此时电流为 1.75mA。典型的 V_OH 电平随负载电流的变化而变化，也随温度而变化，如图 3-5 所示。V_OH 相对于 V_CC 的性能与 V_CC 无关，这意味着图 3-5 中的曲线组适用于 V_CC 的整个工作范围。

图 3-5 显示 V_OH 相对 V_CC (V_OH - V_CC) 与负载电流 (I_OH) 关系的图