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摘要：運(yùn)算放大器是模擬電路設(shè)計(jì)中的基本功能單元，小尺寸、高性能始終是設(shè)計(jì)人員的追求目標(biāo)。本應(yīng)用筆記重點(diǎn)介紹了運(yùn)算放大器的發(fā)展方向以及設(shè)計(jì)中的折中考慮。
另外，便攜產(chǎn)品設(shè)計(jì)對電路板尺寸要求非?？量蹋虼?，小的封裝尺寸是另外一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jí)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(yīng)用場合對硅片尺寸的苛刻要求，這種封裝器件的失調(diào)電壓會(huì)增大。所幸借助成熟的IC設(shè)計(jì)可以在一定程度上降低失調(diào)電壓。
圖1. MAX4292雙路、精密運(yùn)算放大器，采用微小的晶片級(jí)(UCSP)封裝。
半導(dǎo)體處理工藝的進(jìn)步有助于開發(fā)更高性能、更低成本的運(yùn)算放大器。傳統(tǒng)的運(yùn)算放大器采用純雙極型工藝制作，而新的設(shè)計(jì)技術(shù)則融入了其它幾種處理工藝，包括：CMOS、BiCMOS或互補(bǔ)雙極型工藝(CB)。從成本考慮，CMOS處理工藝占據(jù)了運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)的主導(dǎo)地位，隨著工藝的不斷改進(jìn)，CMOS技術(shù)對器件性能(噪聲等)的限制越來越少。當(dāng)然，更高性能的器件需要采用多種處理工藝。
為了滿足各種應(yīng)用的需求，集成電路制造商對標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器進(jìn)行了改進(jìn)?，F(xiàn)在，設(shè)計(jì)人員不得不從種類繁多的運(yùn)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(yīng)用的規(guī)格優(yōu)化。
精密的運(yùn)算放大器通常不能提供寬帶特性，但其失調(diào)電壓和失調(diào)電壓漂移非常小，所保證的失調(diào)電壓通常能夠低至1μV。利用自動(dòng)歸零和斬波穩(wěn)定技術(shù)在整個(gè)溫度范圍內(nèi)保持失調(diào)漂移最小。斬波穩(wěn)定運(yùn)算放大器在信號(hào)通道包括一個(gè)“斬波”放大器，可連續(xù)修正運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓，從而在全溫范圍內(nèi)獲得出色的失調(diào)電壓指標(biāo)。
除了低失調(diào)電壓外，較低的電源電壓也使得滿擺幅或Beyond-the-Rails?輸入級(jí)以及滿擺幅輸出級(jí)電路更加重要。滿擺幅輸入允許輸入電壓能夠達(dá)到負(fù)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，滿擺幅輸出允許獲得較大的輸出擺幅，最大輸出電壓能夠達(dá)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(yùn)算放大器來說尤其重要。對于1V甚至更低電壓供電的運(yùn)算放大器來說，輸入共模電壓和輸出電壓范圍的一點(diǎn)點(diǎn)擴(kuò)展都非常關(guān)鍵。
高速信號(hào)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(yùn)算放大器，許多新型高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)還需要關(guān)注低功耗、低電源電壓指標(biāo)。無論何種IC，速度和功耗始終是一對兒矛盾、需要折中處理的指標(biāo)。高速運(yùn)算放大器可以使帶寬達(dá)到1GHz量級(jí)，但是，低壓供電的器件卻很難達(dá)到這一指標(biāo)。按照當(dāng)前的技術(shù)水平，3V供電時(shí)，可以輕松獲得數(shù)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(yīng)用對于運(yùn)算放大器也存在一些特殊要求。音頻放大器不同于傳統(tǒng)的精密放大器，需要放大器在音頻頻率范圍內(nèi)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(nèi)部集成電荷泵，例如，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(yīng)，甚至獲得很好的直流響應(yīng)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(tǒng)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)。
圖 2. 單電源供電耳機(jī)放大器，內(nèi)置電荷泵省去了大尺寸隔直流電容。
從發(fā)展方向看，視頻放大器正在成為一種專用器件，以滿足各種視頻應(yīng)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(shù)新型視頻放大器設(shè)計(jì)采用單電源供電，并且能夠驅(qū)動(dòng)一個(gè)或兩個(gè)150Ω的負(fù)載。隨著便攜式數(shù)字視頻產(chǎn)品市場的增長，視頻放大器也開始向低電壓設(shè)計(jì)方向發(fā)展，例如，3V供電，這是IC設(shè)計(jì)者面臨的又一挑戰(zhàn)。除了低壓工作特性外，許多視頻放大器內(nèi)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(fù)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。
引言
不斷增長的電子元器件市場始終保持著對高性能運(yùn)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(shù)。雖然這些參數(shù)已經(jīng)得到的不斷地提高，但對設(shè)計(jì)人員來說，理想的運(yùn)算放大器依然是一個(gè)“神話”，在運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)中仍然需要做出各種折中選擇。值得慶幸的是，大多數(shù)設(shè)計(jì)會(huì)非常重視放大器的某一個(gè)參數(shù)，這樣，通過犧牲其它參數(shù)指標(biāo)可以得到滿足最終要求設(shè)計(jì)方案。由此可見，我們的設(shè)計(jì)目標(biāo)并非創(chuàng)建一個(gè)理想的運(yùn)算放大器，而是為具體應(yīng)用創(chuàng)建一個(gè)最佳的運(yùn)算放大器。針對具體應(yīng)用優(yōu)化運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)
電池供電產(chǎn)品的發(fā)展需要功耗更低的運(yùn)算放大器，便攜產(chǎn)品中的運(yùn)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，這無疑是設(shè)計(jì)人員所面臨的一個(gè)巨大難題，因?yàn)檫@些設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)對電路板尺寸要求非?？量蹋虼?，小的封裝尺寸是另外一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jí)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(yīng)用場合對硅片尺寸的苛刻要求，這種封裝器件的失調(diào)電壓會(huì)增大。所幸借助成熟的IC設(shè)計(jì)可以在一定程度上降低失調(diào)電壓。
圖1. MAX4292雙路、精密運(yùn)算放大器，采用微小的晶片級(jí)(UCSP)封裝。
半導(dǎo)體處理工藝的進(jìn)步有助于開發(fā)更高性能、更低成本的運(yùn)算放大器。傳統(tǒng)的運(yùn)算放大器采用純雙極型工藝制作，而新的設(shè)計(jì)技術(shù)則融入了其它幾種處理工藝，包括：CMOS、BiCMOS或互補(bǔ)雙極型工藝(CB)。從成本考慮，CMOS處理工藝占據(jù)了運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)的主導(dǎo)地位，隨著工藝的不斷改進(jìn)，CMOS技術(shù)對器件性能(噪聲等)的限制越來越少。當(dāng)然，更高性能的器件需要采用多種處理工藝。
為了滿足各種應(yīng)用的需求，集成電路制造商對標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器進(jìn)行了改進(jìn)?，F(xiàn)在，設(shè)計(jì)人員不得不從種類繁多的運(yùn)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(yīng)用的規(guī)格優(yōu)化。
精密的運(yùn)算放大器通常不能提供寬帶特性，但其失調(diào)電壓和失調(diào)電壓漂移非常小，所保證的失調(diào)電壓通常能夠低至1μV。利用自動(dòng)歸零和斬波穩(wěn)定技術(shù)在整個(gè)溫度范圍內(nèi)保持失調(diào)漂移最小。斬波穩(wěn)定運(yùn)算放大器在信號(hào)通道包括一個(gè)“斬波”放大器，可連續(xù)修正運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓，從而在全溫范圍內(nèi)獲得出色的失調(diào)電壓指標(biāo)。
除了低失調(diào)電壓外，較低的電源電壓也使得滿擺幅或Beyond-the-Rails?輸入級(jí)以及滿擺幅輸出級(jí)電路更加重要。滿擺幅輸入允許輸入電壓能夠達(dá)到負(fù)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，滿擺幅輸出允許獲得較大的輸出擺幅，最大輸出電壓能夠達(dá)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(yùn)算放大器來說尤其重要。對于1V甚至更低電壓供電的運(yùn)算放大器來說，輸入共模電壓和輸出電壓范圍的一點(diǎn)點(diǎn)擴(kuò)展都非常關(guān)鍵。
高速信號(hào)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(yùn)算放大器，許多新型高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)還需要關(guān)注低功耗、低電源電壓指標(biāo)。無論何種IC，速度和功耗始終是一對兒矛盾、需要折中處理的指標(biāo)。高速運(yùn)算放大器可以使帶寬達(dá)到1GHz量級(jí)，但是，低壓供電的器件卻很難達(dá)到這一指標(biāo)。按照當(dāng)前的技術(shù)水平，3V供電時(shí)，可以輕松獲得數(shù)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(yīng)用對于運(yùn)算放大器也存在一些特殊要求。音頻放大器不同于傳統(tǒng)的精密放大器，需要放大器在音頻頻率范圍內(nèi)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(nèi)部集成電荷泵，例如，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(yīng)，甚至獲得很好的直流響應(yīng)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(tǒng)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)。
圖 2. 單電源供電耳機(jī)放大器，內(nèi)置電荷泵省去了大尺寸隔直流電容。
從發(fā)展方向看，視頻放大器正在成為一種專用器件，以滿足各種視頻應(yīng)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(shù)新型視頻放大器設(shè)計(jì)采用單電源供電，并且能夠驅(qū)動(dòng)一個(gè)或兩個(gè)150Ω的負(fù)載。隨著便攜式數(shù)字視頻產(chǎn)品市場的增長，視頻放大器也開始向低電壓設(shè)計(jì)方向發(fā)展，例如，3V供電，這是IC設(shè)計(jì)者面臨的又一挑戰(zhàn)。除了低壓工作特性外，許多視頻放大器內(nèi)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(fù)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。
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