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| 運算放大器的發(fā)展體現了電子技術(shù)的進(jìn)步 |
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| 文章來(lái)源： 更新時(shí)間：2016/4/11 11:31:00 |
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運算放大器|0">運算放大器是模擬電路設計中的基本功能單元，小尺寸、高性能始終是設計人員的追求目標。本應用筆記重點(diǎn)介紹了運算放大器的發(fā)展方向以及設計中的折中考慮。
引言
不斷增長(cháng)的電子元器件市場(chǎng)始終保持著(zhù)對高性能運算放大器的巨大需求。寬帶、低功耗、高精度只是新產(chǎn)品要求的幾個(gè)關(guān)鍵參數。雖然這些參數已經(jīng)得到的不斷地提高，但對設計人員來(lái)說(shuō)，理想的運算放大器依然是一個(gè)“神話(huà)”，在運算放大器設計中仍然需要做出各種折中選擇。值得慶幸的是，大多數設計會(huì )非常重視放大器的某一個(gè)參數，這樣，通過(guò)犧牲其它參數指標可以得到滿(mǎn)足最終要求設計方案。由此可見(jiàn)，我們的設計目標并非創(chuàng )建一個(gè)理想的運算放大器，而是為具體應用創(chuàng )建一個(gè)最佳的運算放大器。
針對具體應用優(yōu)化運算放大器設計
電池供電產(chǎn)品的發(fā)展需要功耗更低的運算放大器，便攜產(chǎn)品中的運算放大器通常工作在較低的單電源電壓 (正電壓)下，消耗極低的電源電流，這無(wú)疑是設計人員所面臨的一個(gè)巨大難題，因為這些設計在要求低功耗的同時(shí)，還需要工作在較高頻率或要求低噪聲。
另外，便攜產(chǎn)品設計對電路板尺寸要求非�？量�，因此，小的封裝尺寸是另外一個(gè)關(guān)鍵指標。傳統設計中比較普遍的小外形(SO)表面貼封裝相對于一些新型封裝，如SOT23、SC70或晶片級封裝，如UCSP (圖1所示)，已經(jīng)不是真正意義上的“小尺寸”。新推出的小型封裝減小了寄生電感和寄生電容，因而改善了電路的交流特性，但由于應用場(chǎng)合對硅片尺寸的苛刻要求，這種封裝器件的失調電壓會(huì )增大。所幸借助成熟的IC設計可以在一定程度上降低失調電壓。
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| 圖1. MAX4292雙路、精密運算放大器，采用微小的晶片級(UCSP)封裝。 |
半導體處理工藝的進(jìn)步有助于開(kāi)發(fā)更高性能、更低成本的運算放大器。傳統的運算放大器采用純雙極型工藝制作，而新的設計技術(shù)則融入了其它幾種處理工藝，包括：CMOS、BiCMOS或互補雙極型工藝(CB)。從成本考慮，CMOS處理工藝占據了運算放大器設計的主導地位，隨著(zhù)工藝的不斷改進(jìn)，CMOS技術(shù)對器件性能(噪聲等)的限制越來(lái)越少。當然，更高性能的器件需要采用多種處理工藝。
為了滿(mǎn)足各種應用的需求，集成電路制造商對標準運算放大器進(jìn)行了改進(jìn)�，F在，設計人員不得不從種類(lèi)繁多的運算放大器中做出正確的選擇，例如：精密放大器、儀表放大器、電流檢測放大器、高速放大器，甚至是音頻放大器、視頻放大器等。對器件性能的改進(jìn)已經(jīng)成為面向應用的規格優(yōu)化。
精密的運算放大器通常不能提供寬帶特性，但其失調電壓和失調電壓漂移非常小，所保證的失調電壓通常能夠低至1µV。利用自動(dòng)歸零和斬波穩定技術(shù)在整個(gè)溫度范圍內保持失調漂移最小。斬波穩定運算放大器在信號通道包括一個(gè)“斬波”放大器，可連續修正運算放大器的失調電壓，從而在全溫范圍內獲得出色的失調電壓指標。
除了低失調電壓外，較低的電源電壓也使得滿(mǎn)擺幅或Beyond-the-Rails™輸入級以及滿(mǎn)擺幅輸出級電路更加重要。滿(mǎn)擺幅輸入允許輸入電壓能夠達到負電源電壓至正電源電壓的范圍，Beyond-the-Rails輸入則允許輸入電壓超出器件的供電電壓范圍。重要的是，滿(mǎn)擺幅輸出允許獲得較大的輸出擺幅，最大輸出電壓能夠達到與電源電壓相差幾個(gè)毫伏的水平，這一特性對于低壓供電下試圖獲得最大動(dòng)態(tài)范圍的運算放大器來(lái)說(shuō)尤其重要。對于1V甚至更低電壓供電的運算放大器來(lái)說(shuō)，輸入共模電壓和輸出電壓范圍的一點(diǎn)點(diǎn)擴展都非常關(guān)鍵。
高速信號處理技術(shù)的迅速發(fā)展需要單端輸入或差分輸入模式的精密、高速運算放大器，許多新型高速數據轉換器設計還需要關(guān)注低功耗、低電源電壓指標。無(wú)論何種IC，速度和功耗始終是一對兒矛盾、需要折中處理的指標。高速運算放大器可以使帶寬達到1GHz量級，但是，低壓供電的器件卻很難達到這一指標。按照當前的技術(shù)水平，3V供電時(shí)，可以輕松獲得數百兆赫茲的帶寬，IC制造商仍在尋求打破這一極限的方法。
音頻和視頻應用對于運算放大器也存在一些特殊要求。音頻放大器不同于傳統的精密放大器，需要放大器在音頻頻率范圍內提供出色的動(dòng)態(tài)特性。音頻放大器的一個(gè)發(fā)展趨勢是在內部集成電荷泵，例如，Maxim Integrated Products, Inc.|582|1">Maxim的DirectDrive放大器，從而在單電源供電時(shí)省去大尺寸的隔直流電容(一般采用大尺寸的電解電容)。利用 DirectDrive技術(shù)可以改善放大器的低頻響應，甚至獲得很好的直流響應特性，降低低頻端的總諧波失真。另外，DirectDrive技術(shù)還降低了系統成本和電路板尺寸，這為便攜產(chǎn)品提供了一個(gè)極具競爭力的優(yōu)勢(圖2)。
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圖 2. 單電源供電耳機放大器，內置電荷泵省去了大尺寸隔直流電容。
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從發(fā)展方向看，視頻放大器正在成為一種專(zhuān)用器件，以滿(mǎn)足各種視頻應用的需求。雖然目前還有一些工作在±5V的視頻放大器，但絕大多數新型視頻放大器設計采用單電源供電，并且能夠驅動(dòng)一個(gè)或兩個(gè)150的負載。隨著(zhù)便攜式數字視頻產(chǎn)品市場(chǎng)的增長(cháng)，視頻放大器也開(kāi)始向低電壓設計方向發(fā)展，例如，3V供電，這是IC設計者面臨的又一挑戰。除了低壓工作特性外，許多視頻放大器內部還集成了一個(gè)視頻重建濾波器，用于抗混疊濾波或DAC輸出平滑濾波。為了省去外部偏置電路或鉗位電路，有些視頻放大器還集成了黑電平或后肩鉗位電路。有些視頻放大器為了提供負極性的同步脈沖，采用了音頻放大器的DirectDrive技術(shù)，不再需要外部偏置。
結論
運算放大器是模擬電路設計中的基本功能單元，因此，它必須緊隨電子技術(shù)快速發(fā)展的步伐。低功耗、小尺寸需求的普及加速了微功耗運算放大器的發(fā)展進(jìn)程，這種放大器已經(jīng)集成在肉眼幾乎看不清楚的UCSP封裝內。隨著(zhù)設計技術(shù)和處理工藝的改進(jìn)，集成廠(chǎng)商正在不斷開(kāi)發(fā)滿(mǎn)足市場(chǎng)增長(cháng)需求的運算放大器。 |
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