【導(dǎo)讀】運(yùn)算放大器已廣泛用于汽車電子、通信、消費(fèi)等各個(gè)領(lǐng)域，對(duì)于不同的運(yùn)算放大器而言，即使外特性只有細(xì)微的差異，內(nèi)部也可能存在著極大的差異。本文針對(duì)幾類關(guān)鍵的運(yùn)算放大器進(jìn)行講解，并分析其設(shè)計(jì)要點(diǎn)，幫助工程師設(shè)計(jì)出更符合自己需求的產(chǎn)品。
運(yùn)算放大器是典型的模擬集成電路?？梢哉f有了運(yùn)算放大器才算有了模擬集成電路、其歷史也就是模擬集成電路的歷史。運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)開發(fā)不像其外特性那樣直觀明了；外特性有細(xì)微差異的運(yùn)算放大器內(nèi)部差異之巨大也往往出乎意料之外；投入資源開發(fā)有細(xì)微差異的運(yùn)放是工程需求、工程需求背后的商業(yè)利益追求、以及知識(shí)產(chǎn)權(quán)創(chuàng)新的需要。
微功耗運(yùn)算放大器
大幅度地減少功耗對(duì)應(yīng)用設(shè)計(jì)帶來的影響不止是節(jié)能。如果平均功率需要從mA量級(jí)下降到了μA量級(jí)甚至μA以下，則供電方案可以有很大不同，使一些原本不方便、不能實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用得以實(shí)現(xiàn)。例如圖1所示的電源電路可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)以微功耗運(yùn)算放大器為檢測(cè)部分、配合儲(chǔ)能和間歇執(zhí)行部分的電路，利用單條電源線的控制負(fù)載。一些電源開關(guān)盒中實(shí)際上只是一條線路，對(duì)這些開關(guān)升級(jí)，例如升級(jí)成遙控調(diào)光或者接近開關(guān)時(shí)需要為控制電路供電。負(fù)載沒有接通時(shí)，通過允許流過微量電流供電。如果這個(gè)電流較大，會(huì)導(dǎo)致負(fù)載部分啟動(dòng)或間歇啟動(dòng)；對(duì)于輕負(fù)載，例如3~5W發(fā)光二極管燈尤為顯著。實(shí)際工程案例利用SGM8041的微功耗特性解決了這一問題。
圖1：利用微功耗運(yùn)放改變供電電路
圖1所示的電路設(shè)計(jì)工作在交流電的電壓范圍內(nèi)，但其元件中只有R(以及執(zhí)行部件和電流互感器T的原副邊之間)承受較高電壓，其余元件耐壓均以參考齊納管的擊穿電壓為參考。電流互感器T用于在較大功率負(fù)載的應(yīng)用，在接通期間給控制電路供電；如果負(fù)載較小，接通期間也可以通過延遲開啟角度取得一定的電壓差給控制電路供電。
低功耗產(chǎn)品已很普及，如常用的TLC27L和MCP6041；后者靜態(tài)電流僅600nA。SGM8141/2為更為極端的微功耗運(yùn)算器產(chǎn)品，其靜態(tài)電流僅為350nA，Voffset則控制在最大不超過2.5mV。利用SGM8141/2可以在系統(tǒng)深度休眠時(shí)提供連續(xù)參數(shù)監(jiān)測(cè)，用于喚醒或者異常觸發(fā)。也用于信號(hào)自供電或利用能量收集(例如震動(dòng)、熱和光)的設(shè)計(jì)中。
微功耗運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)在于，如何利用盡可能少的電路實(shí)現(xiàn)在全輸入范圍內(nèi)保持小而穩(wěn)定的失調(diào)電壓。微功耗運(yùn)放無法利用復(fù)雜電路對(duì)溫度變化補(bǔ)償和嚴(yán)格根據(jù)共模鎖定輸入節(jié)的偏置，失調(diào)補(bǔ)償依賴于參數(shù)補(bǔ)償設(shè)計(jì)和精細(xì)的版圖設(shè)計(jì)。圖2是圣邦微功耗運(yùn)放產(chǎn)品的失調(diào)電壓分布統(tǒng)計(jì)。
圖2：圣邦微功耗運(yùn)放的失調(diào)電壓分布
[page]微功耗比較器
比較器是常態(tài)處于類飽和態(tài)的模擬集成電路，僅在比較閾值附近一個(gè)微小的區(qū)間表現(xiàn)為線性。無論在高速場合還是低速場合，對(duì)比較器的需要常被忽視和誤解?，F(xiàn)實(shí)中不乏把放大器當(dāng)作比較器使用的成功工程案例，真實(shí)地反映了對(duì)比較器的需求的變化。比較器無論是參數(shù)優(yōu)化還是實(shí)際結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)都跟運(yùn)算放大器不同；比較器在輸出翻轉(zhuǎn)前或者后的傳輸增益要小，以防止自激；觸發(fā)翻轉(zhuǎn)后的上升或者下降沿不受前級(jí)的爬升率的影響。
傳統(tǒng)工程上對(duì)比較器的需要大都被取代或者弱化，如快速渡過邏輯器件的邏輯模糊區(qū)、精確幅度甄別和抑制在甄別閾值附近的不定狀態(tài)輸出等。主要因?yàn)锳DC的普及使用和邏輯I/O的設(shè)計(jì)改進(jìn)；無論是在邏輯I/O電路中還是利用運(yùn)放的輕度正反饋滯回，都可以有效避免邏輯不確定性，而定時(shí)抖動(dòng)特性一直不是比較器的強(qiáng)項(xiàng)。
新設(shè)計(jì)改進(jìn)重點(diǎn)在于減少比較器的耗電。微功耗運(yùn)放用作比較器時(shí)在飽和狀態(tài)工作電流有所增加，退出飽和需要較長時(shí)間，比較器則沒有這些問題。如圖3所示，SGM8701系列微功耗的工作電流穩(wěn)定在300nA附近的極低水平。
圖3：SGM8701系列比較器工作電流
極低功耗比較器可以用于需要潛伏或深度睡眠狀態(tài)的應(yīng)用，例如在待機(jī)期間持續(xù)監(jiān)測(cè)電池電壓和連續(xù)監(jiān)視等待喚醒呼叫等。
無交越失真運(yùn)算放大器
與BTL和C類放大器的交越失真概念不同，無交越失真運(yùn)放是相對(duì)于有輸入結(jié)構(gòu)相關(guān)交越失真的滿幅輸入CMOS運(yùn)放提出的。CMOS運(yùn)算放大器具有輸入阻抗高、工作電流低、易實(shí)現(xiàn)滿幅輸出和不需要區(qū)別單雙電源設(shè)計(jì)等突出優(yōu)點(diǎn)，但是其輸入部分柵極與源極之間需要較大壓差，共模輸入電壓范圍小，限制了低工作電壓使用。如圖4所示的互補(bǔ)雙差分對(duì)結(jié)構(gòu)被用于CMOS運(yùn)放以允許滿幅輸入。這種互補(bǔ)雙差分對(duì)結(jié)構(gòu)保證無論共模電壓是接近正電源，還是接近負(fù)電源，至少有一個(gè)差分對(duì)可以工作。工程現(xiàn)實(shí)無法保證這兩個(gè)差分對(duì)有完全一致的失調(diào)電壓。輸入共模電壓變化使互補(bǔ)雙差分對(duì)交替工作引起輸入相關(guān)交越失真。
圖4：引起交越失真的互補(bǔ)雙差分對(duì)輸入結(jié)構(gòu)
與輸出圖騰柱結(jié)構(gòu)的輸出交替引起的交越失真不同，輸入相關(guān)的交越失真無法通過提高開環(huán)增益予以改善。SGM8942通過對(duì)輸入部分偏置結(jié)構(gòu)的改變避免了使用雙互補(bǔ)差分對(duì)結(jié)構(gòu)，是一種新型的無交越失真滿幅輸入/輸出型運(yùn)算放大器。
[page]輸入相關(guān)交越失真僅發(fā)生在同相放大應(yīng)用，如需要高輸入阻抗放大器的駐極體輸出緩沖、壓電換能器的輸出緩沖、PT/CT電量傳感器輸出的緩沖和電位差計(jì)輸出緩沖等。交越失真生成寄生頻譜，或產(chǎn)生虛假微擾動(dòng)。SGM8942成功地應(yīng)用于微弧檢測(cè)、瞬時(shí)功率因數(shù)測(cè)量和電化學(xué)擴(kuò)散電勢(shì)檢測(cè)等對(duì)微擾敏感的應(yīng)用中。
從本征特性看，CMOSFET的穩(wěn)定性和噪聲特性，尤其是1/f噪聲，以及響應(yīng)速度均不及雙極型晶體管；但其高輸入阻抗、低偏置電流、低耗電和結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)勢(shì)雙極型器件難以企及。CMOS產(chǎn)品出現(xiàn)以來，改善其噪聲、穩(wěn)定性和速度的努力從來沒有中斷過。除了少數(shù)特別的應(yīng)用場合，CMOS運(yùn)放已取代了雙極型運(yùn)放成為主力。例如SGM8551系列高精度運(yùn)放可保證小于20μV的失調(diào)電壓和小于20nV/°的溫漂，各方面都超過了傳統(tǒng)的高精度運(yùn)放，例如OP07，以及同類的LMV2011。SGM8551已成功用于6位半精度的過程校驗(yàn)儀表。
高精度運(yùn)算放大器的對(duì)應(yīng)用工程意義明了、毋庸贅敘，其設(shè)計(jì)工程的挑戰(zhàn)則比較特別；高精度運(yùn)放設(shè)計(jì)是專利集中的領(lǐng)域，很多電路方案和布線方案受到保護(hù)；新設(shè)計(jì)要在保護(hù)和利用的原則下創(chuàng)新。圣邦的高精度運(yùn)放產(chǎn)品設(shè)計(jì)是業(yè)內(nèi)最新數(shù)據(jù)模型和部分創(chuàng)新的結(jié)合。
與在高精度測(cè)量放大系統(tǒng)中方案靈活多變不同，例如相關(guān)雙采樣方案、斬波調(diào)制放大方案和斬波跟蹤方案等等，高精度運(yùn)算放大器的實(shí)現(xiàn)方案局限于精密跟蹤補(bǔ)償和交替自穩(wěn)零兩類基礎(chǔ)方案。
參考圖5，交替自穩(wěn)零方案的原理與斬波跟蹤放大器類似。信號(hào)通道上的第一級(jí)被分為兩個(gè)幾何分布完全一致的兩組；除了切換瞬間，總有一組在通過信號(hào)，保證了信號(hào)是被近似連續(xù)傳送和放大的；自穩(wěn)零校準(zhǔn)則是交替進(jìn)行的。不在傳遞信號(hào)的一組的失調(diào)被饋入調(diào)零通道，調(diào)節(jié)偏置使失調(diào)為零。
圖5：交替自穩(wěn)零的原理示意圖
高電壓運(yùn)算放大器
在工業(yè)現(xiàn)場或者類似惡劣條件的場合，采用可直接工作在較高電壓的運(yùn)放有利于提高可用率和執(zhí)行力。只是提高工作電壓對(duì)設(shè)計(jì)容限的改進(jìn)是有限的；事實(shí)上大多數(shù)早期的雙極型運(yùn)放可工作在較高電壓下，但不能在低電壓下工作。現(xiàn)代意義下的高壓運(yùn)放需要高適應(yīng)性，包括大動(dòng)態(tài)工作電壓范圍，滿幅輸入/輸出，抗高共模/差模和具備短期過壓寬限。以SGM8291為例，其工作電壓范圍是4.5V~36V，共模和差模均輸入允許到電源電壓，電源短期過壓可超過40V。
現(xiàn)代意義下的高壓運(yùn)放是一個(gè)較新的運(yùn)放品種，例如TI也只是在近期開始推廣其OPA171系列的高壓運(yùn)放。這些高壓運(yùn)放全部具有大動(dòng)態(tài)、低電流的特點(diǎn)，以JFET或CMOS作為輸入，普遍采用BCD混合結(jié)構(gòu)；其特性優(yōu)勢(shì)是雙極型高壓運(yùn)放無法抗類比的。高壓運(yùn)放的結(jié)構(gòu)與低壓運(yùn)放的結(jié)構(gòu)不同，如輸入節(jié)要在大得多的共模電壓范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的失調(diào)電壓，輸出節(jié)要承受大的柵-漏(或基-集)電壓。SGM8291在全電壓范圍內(nèi)失調(diào)不超過0.9mV并允許輸出長期短路。
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圖6用來解釋如何實(shí)現(xiàn)這些特性所需要的結(jié)構(gòu)差異的一個(gè)示意方案(此示意圖并不暗示圣邦使用了這一結(jié)構(gòu))。其中CC1~CC3恒流源需要利用雙極型的本征恒流特性穩(wěn)定輸入差分對(duì)的偏置；A采用CMOS取得高增益；T1、T2采用DMOS實(shí)現(xiàn)高耐壓。低壓運(yùn)放不需要這些組合。
圖6：解釋高壓運(yùn)放結(jié)構(gòu)差異的示意圖
開發(fā)高壓運(yùn)放、完善工業(yè)產(chǎn)品鏈的社會(huì)意義大于開發(fā)者的直接經(jīng)濟(jì)意義。盡管高壓運(yùn)放對(duì)工業(yè)應(yīng)用來講是不可或缺的，但實(shí)際上，其應(yīng)用空間被低壓結(jié)構(gòu)系統(tǒng)不斷擠占。其一是因?yàn)樵诖蠖嘞到y(tǒng)中信號(hào)最終被饋送到或者最初來自低壓的數(shù)字處理電路，低壓系統(tǒng)已具備系統(tǒng)級(jí)高設(shè)計(jì)容限；其二是外圍電路改進(jìn)可利用低壓電路取得類似高壓器件的容限，分享低壓元件選擇性大、供應(yīng)量好和價(jià)格低的紅利。但是有些應(yīng)用場景注定需要高壓運(yùn)放，圖7示意了在輸入側(cè)和輸出側(cè)適合使用高壓運(yùn)放的若干情況。
圖7：若干需要高壓運(yùn)放的情況
本文小結(jié)
半導(dǎo)體集成運(yùn)算放大器從60年代開發(fā)面市，歷經(jīng)半百滄桑到今天還能見到不斷有新的產(chǎn)品推出，見證了人類對(duì)自然深入探究和提升自我的不斷追求。近些年國內(nèi)出現(xiàn)了若干家以模擬集成電路開發(fā)推廣為主要業(yè)務(wù)的新半導(dǎo)體公司，對(duì)拓展應(yīng)用和推動(dòng)市場競爭做出貢獻(xiàn)。在成熟的應(yīng)用中，包括運(yùn)放在內(nèi)模擬電路被越來越多地集成到了單片系統(tǒng)中，同時(shí)隨著認(rèn)識(shí)的深入和處理能力的加強(qiáng)、也不斷有新的要求需要新的產(chǎn)品來滿足。
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