運(yùn)算放大器必知必會(huì):基本特性與設(shè)計(jì)因素須知

運(yùn)算放大器是典型的模擬集成電路。可以說(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。這從圣邦微電子公司近年開(kāi)發(fā)的運(yùn)放產(chǎn)品中可以一窺端倪。

　　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。

　　比較器是常態(tài)處于類飽和態(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。