關(guān)鍵運(yùn)算放大器基本特性與設(shè)計(jì)考量

　　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。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(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)；其特性優(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。

　　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)了若干家像圣邦一樣以模擬集成電路開(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)；本文介紹的圣邦公司產(chǎn)品的特性均可與已知高性能產(chǎn)品的規(guī)格齊平。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)滿足。