運算放大器--單通道、雙通道、四通道優(yōu)缺點及結(jié)構

　　雙通道運放真的是兩運放，還是一硅片具備兩功能?

　　人們常常認為雙通道運放等同于兩個單通道運放，但在電路板上，單片雙通道IC與兩個單通道IC之間還是存在一些細微差別，這些差別可能會給新的設計帶來問題。由于兩個運放在相同的單個硅片上并排放置，因此在使用雙通道放大器時需要考慮電氣和散熱因素。

　　業(yè)界研究熱效應已經(jīng)有30多年的歷史了，并且在Solomon引用的一篇前50強IEEE論文有詳細的論述 [1]。隨著運放輸出電壓的改變，散熱量也隨之改變，會有一個熱波穿過整個芯片傳播到輸入級，使芯片失去平衡，并表現(xiàn)為一種電氣信號。熱波能夠同時影響兩個運放，即使它們在電氣上是分開的。

　　另外還有電氣效應。為了減小裸片尺寸，進而降低成本，像偏置電路和相關啟動電路等部分可能為兩個運放所共享。如果一個運放超出了正常工作范圍，并導致偏置電路出現(xiàn)故障，那么另一個運放也會發(fā)生故障 [2]。另外，由于只有一對電源引腳，邦定線和裸片上的一些金屬化層將承載兩個運放的總電流。一個放大器吸收的電流將產(chǎn)生IR壓降，并通過隨頻率改變的PSRR指標反映到另一個運放上。

　　優(yōu)點

　　任何事物都不可能十全十美，因此使用雙通道運放既有優(yōu)點也有缺點。有些優(yōu)點是顯而易見的。首先，單次插入比兩次插入更省制造成本。其次，大多數(shù)半導體制造商的雙通道運放報價通常要低于兩個單通道運放的成本。通過合并子電路，裸片面積通常小于單通道運放的兩倍。再者，高速自動化測試設備(ATE)受類似運放這樣的單個功能的處理時間的限制，因此每個功能的測試成本也更低。在封裝成本方面也是如此。最后，由于兩個電路在晶圓上靠得非常近，它們之間的電氣特性 (通常會規(guī)定)也非常匹配。

　　缺點

　　不過也存在一些缺點。將兩個或四個功能放在一個封裝中會增加功耗。對于低帶寬、低電壓(低功耗)運放來說，這種功耗的增加對結(jié)溫的影響很小，僅上升5℃。而對驅(qū)動低阻抗負載(如同軸電纜)的高速運放而言，這種結(jié)溫上升會非常明顯，大概有30℃。由于裸片應力原因，四通道運放的最大失調(diào)電壓將高于雙通道或單通道運放[3]。在某些情況下，雙通道運放的失調(diào)電壓會比單通道運放高，四通道運放的失調(diào)電壓將比雙通道運放高[4]。

　　串擾也是個問題，它源自兩個效應：熱效應和電氣效應。如前所述，從一個部分發(fā)出的熱波將使另一個部分的輸入級失去平衡，這表現(xiàn)為低頻反饋。另外，由于只有一對電源引腳，邦定線電阻對所有部分都是公共的，因此一個部分引起的大負載電流將在邦定線上造成IR壓降。運放的PSRR不是無限的，因此某部分將被耦合到其它部分。PSRR隨頻率升高而下降，因此在約5kHz至10kHz頻段可以看到這一現(xiàn)象。

　　版圖設計考慮

　　為了真正理解這些效應發(fā)生的原因，有必要了解單通道、雙通道和四通道運放的內(nèi)部構造輸入級電路

　　運放的第一級通常是差分對電路，可以是如圖所示的NPN或PNP雙極性電路，也可以是N溝道或P溝道MOSFET，或N溝道或P溝道JFET。它們面臨一個同樣的問題：如果兩邊的溫度有差異，即使相差只有1/10，電路也會變得不平衡。當增益為10萬倍或以上時，這將對輸出電壓造成影響。當輸出級電路存在功耗時，熱波將越過裸片傳播到輸入級。如果輸入級離得比較遠(相對而言)，等溫線將近似平行線。如果兩個輸入晶體管的位置擺放得比較合適，熱波將同時到達兩個晶體管，這時平衡幾乎不會受到影響。這是一個好主意，但我們可以做得更好。將晶體管分成兩個部分，并進行交叉耦合，那么從某個角度傳來的熱波將同時影響兩個部分，影響程度將低于兩個獨立晶體管的情形。也許George Erdi在 uA725中首次應用的就是這種方法[5]。“交叉耦合四通道”具有多方面的含義，這里討論的是其最通用的含義。輸出晶體管和輸入晶體管應沿著圖1所示的中心線放置。