【導(dǎo)讀】運(yùn)算放大器已廣泛用于汽車(chē)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(lèi)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(shuō)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(kāi)發(fā)不像其外特性那樣直觀(guān)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(kāi)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(lái)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(xiàn)的控制負(fù)載。一些電源開(kāi)關(guān)盒中實(shí)際上只是一條線(xiàn)路，對(duì)這些開(kāi)關(guān)升級(jí)，例如升級(jí)成遙控調(diào)光或者接近開(kāi)關(guān)時(shí)需要為控制電路供電。負(fù)載沒(méi)有接通時(shí)，通過(guò)允許流過(guò)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(wèn)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(guò)延遲開(kāi)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(guò)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(wú)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(lài)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(lèi)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(xiàn)性。無(wú)論在高速場(chǎng)合還是低速場(chǎng)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(wú)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(guò)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(wú)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(zhǎng)時(shí)間，比較器則沒(méi)有這些問(wèn)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(wú)交越失真運(yùn)算放大器
與BTL和C類(lèi)放大器的交越失真概念不同，無(wú)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(mǎn)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(mǎn)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(mǎn)幅輸入。這種互補(bǔ)雙差分對(duì)結(jié)構(gòu)保證無(wú)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(wú)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(wú)法通過(guò)提高開(kāi)環(huán)增益予以改善。SGM8942通過(guò)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(wú)交越失真滿(mǎn)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(lái)，改善其噪聲、穩(wěn)定性和速度的努力從來(lái)沒(méi)有中斷過(guò)。除了少數(shù)特別的應(yīng)用場(chǎng)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(guò)了傳統(tǒng)的高精度運(yùn)放，例如OP07，以及同類(lèi)的LMV2011。SGM8551已成功用于6位半精度的過(guò)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(zhuān)利集中的領(lǐng)域，很多電路方案和布線(xiàn)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(lèi)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(lèi)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(guò)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(chǎng)或者類(lèi)似惡劣條件的場(chǎng)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?，F(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(mǎn)幅輸入/輸出，抗高共模/差模和具備短期過(guò)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(guò)壓可超過(guò)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(kāi)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?xún)?yōu)勢(shì)是雙極型高壓運(yùn)放無(wú)法抗類(lèi)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(guò)0.9mV并允許輸出長(zhǎng)期短路。
[page]
圖6用來(lái)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(kāi)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(kāi)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(lái)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(lái)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(lèi)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(chǎng)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(kāi)發(fā)面市，歷經(jīng)半百滄桑到今天還能見(jiàn)到不斷有新的產(chǎn)品推出，見(jiàn)證了人類(lèi)對(duì)自然深入探究和提升自我的不斷追求。近些年國(guó)內(nèi)出現(xiàn)了若干家以模擬集成電路開(kāi)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(lái)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(lái)滿(mǎn)足。
相關(guān)閱讀：
【設(shè)計(jì)指南】如何控制運(yùn)算放大器增益誤差
http://coahr.cn/power-art/80020654
使用運(yùn)算放大器應(yīng)對(duì)EMI問(wèn)題
http://coahr.cn/gptech-art/80019013
系統(tǒng)工程師如何應(yīng)對(duì)運(yùn)算放大器的精度挑戰(zhàn)
http://coahr.cn/power-art/80019620
