低压轨到轨的低噪声之选：HCR722 双运放技术解读

导读  一分钟速读与适用判断

一句话：HCR722 是一颗面向低压、低噪声、轨到轨优化的CMOS 双运放，10MHz 增益带宽积、8.5V/μs 压摆率、6.5nV/√Hz 输入噪声（1kHz）、pA 级输入偏置电流，输入输出均可摆到电源轨，2.1V~5.5V 单电源即可工作，内置相位反转保护与 EMI 抑制，适合电池供电、传感器调理、有源滤波和 ADC 驱动。

做电池供电和低压单电源系统时，工程师常遇到几个棘手问题：一是传统双极型运放在 5V 以下输出摆幅严重受限，信号动态被压缩；二是输入共模范围够不到电源轨，接近轨的信号直接失真；三是偏置电流大，高阻传感器信号被吃掉；四是输入过驱动时输出相位反转，后级误动作。HCR722 就是针对这些场景设计的——它在一颗 8 脚芯片里集成两个独立 CMOS 通道，把轨到轨输入输出、低噪声、pA 级偏置和 EMI 抗扰做到了平衡。本文先讲清内部结构与原理，再逐项拆参数，并给出可直接复用的电路与选型判断，每项都对得上数据手册。

零、  工作原理：CMOS 轨到轨运放为何适合低压

0.1 轨到轨输入：互补差分对如何覆盖全范围

传统运放的输入级是一对 NPN 或 PMOS 差分对，只在共模电压处于某一段时线性工作。HCR722 采用互补差分对（N 沟道 + P 沟道）：当共模电压靠近负轨时，P 沟道差分对导通工作；当共模电压靠近正轨时，N 沟道差分对接管；中间区域两者并行。这样输入共模范围可以从负轨以下 0.1V 一直延伸到正轨以上 0.1V（Vs=5.5V 时 VCM 为 -0.1V~+5.6V），实现真正的轨到轨输入。代价是在两对切换的中点区域，CMRR 和失调会有轻微跳变，规格书曲线对此如实标注。

图 1  HCR722 SOIC-8 封装实物顶视（取自规格书第1页，HCR722 另有 MSOP-8/TSSOP-8/DFN3x3-8L 四种封装）

0.2 轨到轨输出：CMOS 推挽级如何摆到轨边

输出级采用 CMOS 共源推挽结构，空载时输出可以摆到距正轨约 50mV、距负轨约 10mV 的位置；在重负载下，输出电流典型 67mA（min 52mA），仍能保持较大摆幅。相比传统双极型射极跟随器输出（通常距轨 1V 以上），CMOS 轨到轨输出在 5V 系统里能多出近 2V 的有效动态范围，这对低压 ADC 驱动意义明显。闭环输出阻抗约 8.5Ω，配合单位增益稳定，可直接做缓冲。

0.3 相位反转保护：过驱动不翻车

许多运放在输入被驱动到超出共模范围时，输出会突然反跳到相反轨，即相位反转，这在比较器、电平检测和同相放大中会导致后级误触发。HCR722 内置相位反转保护电路，当输入过驱动时，输出被钳位在对应轨而不是反向跳变。规格书 Figure 17 用输入过驱动波形验证了这一点：输入超出范围后输出仍跟随到对应轨，不出现反相。

图 2  输入过驱动条件下无相位反转的输出波形（取自规格书 Figure 17，VIN 超出范围后 VOUT 被钳位在对应轨）

0.4 EMIRR：射频干扰不被整流成失调

在手机、无线模块附近，射频信号耦合到运放输入后会被输入结整流，表现为输出失调漂移。EMIRR（电磁干扰抑制比）量化了运放对这种干扰的抑制能力。HCR722 对 EMIRR 做了专门设计，规格书给出了从低频到 10MHz 的 EMIRR IN+ 曲线和测试配置：RF 信号经 50Ω 传输线加到同相输入，运放接成单位增益，输出经低通滤波后用万用表测直流失调变化。这让它在通信设备、无绳电话等射频环境下失调更稳定。

图 3  EMIRR IN+ 测试配置（取自规格书 Figure 19，RF 经 50Ω 加到同相输入，输出经低通滤波后由数字万用表测失调）

一、  定位：低压轨到轨、高压双极、通用运放如何区分

它不负责的事：不是高压运放，耐压仅 5.5V，±15V 音频场景选 HCRM4580/HCR5532；不是 nV 级极低噪声运放，6.5nV 在低压 CMOS 里属低噪但非极高；不是零漂移运放，温漂 2.1μV/℃，直流精密要求 <1μV/℃ 的选专用零漂移料；输出为信号级，不能直接驱动扬声器。

二、  核心参数逐项拆解

2.1 输入噪声：6.5nV/√Hz 的含义

等效输入噪声电压密度 en 典型 6.5nV/√Hz @1kHz、9.5nV/√Hz @10kHz（电气特性表数值）。噪声曲线显示 1kHz 以下以 1/f 噪声为主、10kHz 以上进入平坦区。在 10Hz~100kHz 范围内积分，总噪声约 1~2μVrms。配合 5V 满幅输出，动态范围约 68~74dB。对于传感器信号（mV~V 级）和 ADC 驱动，这个噪声水平够用；若信号源内阻较高，电阻热噪声（1kΩ 约 4nV/√Hz）会和运放噪声叠加，需一并核算。

图 4  等效输入电压噪声谱密度 vs 频率（取自规格书 Figure 5，低频段以 1/f 噪声为主，10kHz 以上进入平坦区；典型数值以电气特性表为准）

2.2 带宽与压摆率：大信号不拖尾

增益带宽积 GBW 典型 10MHz，相位裕度 62°，全功率带宽 400kHz，压摆率 SR 典型 8.5V/μs。对于 5V 供电、20kHz 信号，所需压摆率 SR=2πfVp=2π×20k×2.5≈0.31V/μs，8.5V/μs 有 20 倍以上余量。闭环增益 10 倍时，可用带宽约 1MHz，覆盖音频和多数传感器频段。建立时间 0.1% 仅 0.5μs，过载恢复 3.2μs，适合多路复用和快速采样。

图 5  开环电压增益与相位 vs 频率（取自规格书 Figure 3，GBW 约 10MHz，相位裕度约 62°；开环增益典型值以电气特性表为准）

2.3 轨到轨输入范围与 CMRR

共模输入范围 VCM 为 -0.1V~+5.6V（Vs=5.5V），即可以超出电源轨 0.1V 而不损坏。CMRR 典型 85dB（RL=2kΩ 条件 min 73dB），在 1kHz 以下保持 80dB 以上，10kHz 降到约 63dB。这意味着 1V 共模干扰在输出端被抑制到不足 0.1mV。在互补对切换的中点，CMRR 会有轻微跌落，这是 RRIO 运放的固有特性，高精度直流应用需注意。

图 6  共模抑制比 CMRR vs 频率（取自规格书 Figure 4，低频段保持 85dB 以上，随频率升高逐步下降；典型数值以电气特性表为准）

2.4 输出驱动：67mA 与轨边摆幅

输出电流典型 67mA（min 52mA），VOH 距正轨典型 50mV，VOL 距负轨典型 10mV。源电流和灌电流在 -40~125℃ 全温区均保持稳定。这使它能直接驱动低阻 ADC 输入、小阻滤波器和 600Ω 级负载；但驱动 600Ω 时摆幅会有所下降，建议留余量。闭环输出阻抗 8.5Ω，容性负载较大时建议串隔离电阻。

2.5 直流精度：失调、偏置与温漂

输入失调电压 VOS 典型 ±0.5mV（max ±2.5mV），温漂 2.1μV/℃；输入偏置电流 IB 典型 ±1pA（max ±10pA），输入失调电流 IOS 同为 pA 级。pA 级偏置是 CMOS 运放相对双极型的关键优势：在 100kΩ 源阻抗下，1pA 偏置仅产生 0.1μV 误差，而双极型 nA 级偏置会产生 0.1mV 误差。对于高阻传感器（如光电二极管、电化学电极、MEMS），这一特性直接决定测量精度。

2.6 电源与功耗：1.1mA/通道

静态电流 IQ 典型 1.1mA/通道（max 1.4mA），推荐供电 2.1~5.5V（双电源 ±1.05~±2.75V），PSRR 典型 85dB（min 75dB）。在 3.3V/5V 数字系统中可直接共用电源，无需额外 LDO。PSRR 曲线显示 1kHz 以下约 90dB，能有效抑制电源纹波；开关电源供电时，100kHz 以上 PSRR 下降，建议加 LC 滤波。

图 7  电源抑制比 PSRR vs 频率（取自规格书 Figure 6，低频段保持 85dB 以上，高频段随频率下降；典型数值以电气特性表为准）

2.7 关键参数速查

三、  实战设计与典型案例

3.1 25kHz 二阶低通滤波器（规格书完整参考）

低通滤波器常用于信号处理中抑制噪声和防止 ADC 混叠。HCR722 的 10MHz 带宽和低噪声使其适合构建高速、高精度有源滤波器。规格书给出了一个25kHz 二阶 Chebyshev 低通完整设计：通带 3dB 起伏、增益 5V/V（反相），采用无限增益多路反馈（MFB）拓扑。元件值已在图中标注：R1=590Ω、R3=499Ω、R4=2.94kΩ、C2=39nF、C5=1nF。该电路可直接复用，幅频响应曲线显示通带增益约 14dB、截止点约 25kHz、阻带以 -40dB/十倍频滚降。

图 8  25kHz 二阶低通滤波器电路（取自规格书 Figure 20，MFB 拓扑，增益 5V/V，Chebyshev 响应）

图 9  该低通滤波器的幅频响应（取自规格书，通带增益约 14dB，截止约 25kHz，阻带 -40dB/十倍频）

图 10  MFB 滤波器的闭环增益与截止频率公式（取自规格书 Figure 20 旁注，fc 由 R3、R4、C2、C5 决定）

3.2 光电二极管放大（跨阻放大器）

光电二极管输出为 pA~μA 级电流，需要跨阻放大器（TIA）转成电压。HCR722 的 pA 级偏置电流和低噪声使其适合做 TIA：偏置电流远小于光电流，不产生明显直流误差；6.5nV 电压噪声配合反馈电阻决定底噪。设计要点：反馈电阻 Rf 决定增益（Vout=Ipd×Rf），并联反馈电容 Cf 补偿相位、抑制振荡，Cf≈1/(2πRf×fGBW)；光电二极管反偏可加快响应但增加暗电流，零偏（光伏模式）噪声更低。

3.3 传感器信号调理

压力、温度、电化学、MEMS 等传感器输出阻抗高、幅度小，且常为单端。HCR722 接成同相放大器（增益=1+RF/RG），高输入阻抗不加载传感器，pA 级偏置不产生失调，轨到轨输出可直接驱动 ADC。单电源工作时，需将传感器偏置在 Vs/2 附近，使其输出落在运放线性区；ADC 单端输入时，可在输出加 RC 抗混叠滤波。

图 11  单通道同相放大基本电路（取自规格书 Figure 21，增益 Av=1+RF/RG，传感器输出接同相端，输入阻抗由运放同相端决定）

3.4 电池供电仪器与便携设备前端

手持仪表、无绳电话、笔记本/PDA 等设备由 2~4 节电池供电，电压 2.4~6V 且随电量下降。HCR722 在 2.1V 即可工作，1.1mA/通道静态电流，配合轨到轨输出，在电池整个放电周期内都能利用满幅动态。低电压下仍保持 10MHz 带宽和 8.5V/μs 压摆率，不会因电量下降而响应变慢。多通道设备可选 HCR724（四通道），单通道选 HCR721。

3.5 ADC 驱动与 DAC 缓冲

逐次逼近型 ADC 在采样瞬间需要输入电容快速充电，要求驱动器建立快、输出阻抗低。HCR722 的 0.5μs 建立时间（0.1%）、67mA 输出电流和 8.5Ω 闭环输出阻抗，可直接驱动中速 ADC 采样保持电容；输出端串 10~50Ω 并加 1~10nF 电容形成电荷桶，吸收采样浪涌。DAC 输出缓冲同理，轨到轨可利用 DAC 全量程。

3.6 未用通道处理

双运放若只用一路，另一路不可悬空。应接成电压跟随器（输出接反相输入，同相输入接 Vs/2 或负轨），避免输入悬空导致输出振荡和额外功耗。

【设计提示】单电源应用优先 3.3V/5V，输出满幅利用；电源去耦 0.1μF 陶瓷电容就近跨接电源脚；输入信号需偏置在线性区（通常 Vs/2）；高阻传感器优先利用 pA 级偏置优势；容性负载 >100pF 串 10~50Ω 隔离电阻。

四、  引脚、逻辑与订货

HCR722 采用标准双运放引脚排列（顶视）：1脚 OUT A、2脚 -IN A、3脚 +IN A、4脚 -VS、5脚 +IN B、6脚 -IN B、7脚 OUT B、8脚 +VS。与 MCP6022、TSV912、LMV358 等标准双运放引脚兼容。

图 12  HCR722 引脚顶视（取自规格书 Figure 2，标准双运放引脚排列）

注：xx 为日期码与批次追溯信息，TR 表示卷带包装，MSL 等级 3。同系列 HCR721 为单通道（SC70-5/SOT23-5），HCR724 为四通道（SOIC-14/TSSOP-14）。

五、  PCB 与布线要点

·电源去耦：VS 引脚就近放 0.1μF 陶瓷电容，紧贴芯片跨接正负电源脚；长走线再并 1~10μF 电容

·输入走线：高阻传感器输入走短线、加屏蔽或护地环，远离时钟和开关电源，避免漏电流和噪声耦合

·接地：使用完整地平面，模拟地与数字地单点连接；光电二极管/传感器地直接回到运放地

·输出负载：驱动容性负载 >100pF 时串 10~50Ω 隔离电阻防止振荡；ADC 驱动加 RC 电荷桶

·跨阻放大：反馈电阻和电容紧贴反相输入脚，反相输入节点铜皮尽量小，减小寄生电容

·热设计：DFN3x3 底部散热焊盘接地层，SOIC-8 θJA 约 190℃/W，持续重负载核对温升

·通道隔离：双路输入走线分开，未用通道接成跟随器；射频环境下利用 EMIRR 特性

六、  横向对比：MCP6022 / TSV912 / OPA2340 如何选

HCR722 定位为低压轨到轨 CMOS 双运放，与 Microchip MCP6022、TI/ST TSV912、TI OPA2340 同处一个赛道，引脚兼容。以下为 25℃ 典型值，数据来自各厂公开数据手册：

四款产品均为标准双运放 SOIC-8 引脚排列，可在同一 PCB 封装上对位评估。下图按同一口径汇总四项可量化指标（25℃ 典型值），带宽、压摆率、温度上限越高越优，静态电流越低越优，便于快速定位差异：

图 13  四款双运放关键参数对比（依据各厂数据手册 25℃ 典型值绘制；IQ 为每通道静态电流，越低越优，其余指标越高越优）

客观结论：HCR722 与 MCP6022 带宽同为 10MHz，但压摆率更高（8.5 vs 7V/μs）、1kHz 噪声更低（6.5 vs 8.7nV）、输出电流更大（67 vs 22mA），且内置相位反转保护；TSV912 静态电流更低（0.55mA）但噪声明显更大（18nV）、带宽略低；OPA2340 失调上限低（0.5mV）但带宽和压摆率偏低。对于需要低噪声、较快响应和一定驱动能力的低压轨到轨场景，HCR722 参数占优；对静态电流要求极低的选 TSV912。

七、  常见问题 FAQ

Q1  能直接替换 MCP6022 吗？

引脚兼容，均为标准双运放排列，供电和封装范围一致。HCR722 压摆率更高、噪声更低、输出电流更大，正常应用可直接替换。替换后建议在实际 PCB 上实测建立时间和稳定性再定型。

Q2  能在多少伏起振？

推荐工作电压下限 2.1V（双电源 ±1.05V）。规格书概述提到 2.5V 典型应用，电气特性保证 2.1V 起振。两节干电池（约 3V）或单节锂电池配合 LDO 均可供电。

Q3  轨到轨输入是不是整个范围都同样精确？

输入范围可覆盖 -0.1V~+5.6V，但在 N/P 互补对切换的中点，CMRR 和失调会有轻微跳变，这是 RRIO 运放的固有特性。对直流精度要求极高的应用，可让信号避开中点区域，或选零漂移运放。

Q4  6.5nV/√Hz 噪声处于哪个水平？

在低压 CMOS 轨到轨运放里属于低噪声水平。对比：MCP6022 约 8.7nV、TSV912 约 18nV、通用 LMV358 更高。但它不是 nV 级极低噪声运放，高端音频或仪器级弱信号可评估专用低噪料。

Q5  能单电源 5V 直接驱动 ADC 吗？

可以。输出可摆到距轨 10~50mV，0.5μs 建立，67mA 输出可给 ADC 采样电容快速充电。建议输出串 10~50Ω 并加 1~10nF 电容形成电荷桶，参考 ADC 数据手册确认驱动要求。

Q6  pA 级偏置的意义在哪里？

因为高阻传感器对偏置电流极敏感。1pA 偏置在 100kΩ 阻抗上仅产生 0.1μV 误差，而 nA 级双极型运放会产生 0.1mV 误差。光电二极管、电化学电极、MEMS 等高阻信号源，必须用 CMOS 输入运放。

Q7  输入过驱动会损坏芯片吗？

共模范围为 -0.1V~+5.6V，可短暂超出电源轨 0.1V；绝对极限输入为 (V-)-0.5V~(V+)+0.5V。超出时内部相位反转保护会钳位输出，但持续过压建议串限流电阻。

Q8  SOIC-8 和 DFN3x3 怎么选？

手工焊接/调试选 SOIC-8（脚距 1.27mm），量产紧凑、散热要求高选 DFN3x3-8L（底部散热焊盘，θJA 更低）。电气参数一致，仅封装、热阻和尺寸不同。

Q9  能做音频应用吗？

低压音频（如 USB 供电、便携音箱前级）可以，10MHz 带宽和 8.5V/μs 压摆率足够，6.5nV 噪声适中。但它是 5V 低压器件，不能用于 ±15V 专业音频，那种场景选 HCRM4580/HCR5532。

Q10  单路、双路、四路怎么选？

HCR721 单通道（SC70-5/SOT23-5），适合空间极小的单点；HCR722 双路（8 脚），适合立体声或双通道；HCR724 四路（14 脚），适合多通道集中。三者电气特性一致，按通道数和板面积选。

八、  选型与设计决策树

九、  关于禾芯荣（HCRSEMI）

禾芯荣半导体专注运算放大器、比较器、电源管理、逻辑、音频功放等模拟与混合信号 IC，提供 SOIC、TSSOP、MSOP、SOT、DFN、DIP 等多种封装。HCR722 属于其低噪声轨到轨运放产品线，数据手册列出的典型应用涵盖有源滤波、传感器与音频、ADC、通信、测试设备、手机与无绳电话、笔记本/PDA、光电二极管放大和电池供电仪器。样品、数据手册与应用资料可通过公司网站 www.hcrsemi.com 查询。

写在结尾

低压单电源系统的核心诉求，是在有限的电压窗口里把信号动态用足、把高阻信号保住、把外部干扰挡掉。HCR722 用 6.5nV/√Hz 的低噪声、10MHz 带宽、8.5V/μs 压摆率、轨到轨 I/O、pA 级偏置和 67mA 输出，在一颗 8 脚 CMOS 芯片里给出了低压前端需要的综合性能，还附带相位反转保护和 EMIRR。它不是某一个极限指标的冠军，但在噪声、速度、驱动、功耗、成本和抗扰之间取了一个实用的平衡点，且与 MCP6022 等标准双运放引脚兼容。要极低静态电流找 TSV912，要高压音频找 HCRM4580，要低压轨到轨的均衡之选选 HCR722——按决策树对号入座即可。

附：  内容验真（参数、图片与外部资料来源）

HCR722 输入失调电压、偏置电流、失调电流、噪声、开环增益、CMRR、PSRR、压摆率、GBW、相位裕度、全功率带宽、建立时间、过载恢复、输出电流、输出距轨、静态电流、电源电压、温度范围、封装与订货信息：HCR721/HCR722/HCR724 产品规格书（HCRSEMI，10MHz Low Noise Rail-to-Rail I/O CMOS Operational Amplifier），电气特性测试条件 VS=+5V、TA=25℃、RL=10kΩ、VCM=Vs/2，工作温度 -40~+125℃。

两处规格书内部口径差异需说明：①噪声，规格书首页 Features 标注 8.5nV/√Hz @10kHz，第5页电气特性表标注 9.5nV/√Hz @10kHz（同表 1kHz 为 6.5nV/√Hz），本文正文以电气特性表（9.5nV/6.5nV）为准；②失调，首页标注 4mV 上限，电气特性表标注 ±2.5mV 上限，本文以电气特性表 ±2.5mV 为准。建议以设计当期数据手册电气特性表为依据。

图 1~12 均取自规格书原文嵌入图（非截图）：封装3D（第1页）、引脚（第2页）、性能曲线 Figure 3~6（第6页）、相位反转 Figure 17（第8页）、EMIRR 测试 Figure 19（第9页）、低通滤波器 Figure 20 及其增益/截止频率公式、同相放大基本电路 Figure 21（第10页）。

图 13 为依据 MCP6022、TSV912、OPA2340 公开数据手册 25℃ 典型值绘制的参数对比柱状图，仅用于量化对比，不替代各厂手册；不同测试条件下的数值差异以当期数据手册为准。

20kHz 所需压摆率约 0.31V/μs、增益 10 倍带宽约 1MHz、100kΩ 偏置误差 0.1μV、总噪声约 1~2μVrms：均由公式复算。

MCP6022（Microchip：10MHz GBW、7V/μs SR、8.7nV 噪声、1.35mA/通道、2.5~5.5V、输出约 22mA、-40~125℃）；TSV912（TI/ST：8MHz GBW、6.5V/μs SR、18nV@1kHz、0.55mA/通道、2.5~5.5V、-40~125℃）；OPA2340（TI：5.5MHz GBW、6V/μs SR、0.75mA/通道、VOS 上限 0.5mV、2.7~5.5V、-40~85℃）：均取自各厂数据手册/产品页。

25kHz 低通滤波器为规格书给出的完整参考设计（Figure 20，元件值已标注）；光电二极管放大、传感器调理、电池供电、ADC 驱动为公开典型拓扑，仅作原理说明，具体参数以本料数据手册与实测为准。

不同厂家兼容料在噪声测试条件（频率/带宽）、失调保证值与温度档上存在差异，量产设计以实际采购型号当期数据手册为准。