運算放大器的發(fā)展體現(xiàn)了電子技術的進步

摘要：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。本文重點介紹了運算放大器的發(fā)展方向以及設計中的折中考慮。

關鍵詞：運算放大器；電路設計

　　引言

　　不斷增長的電子元器件市場始終保持著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)品要求的幾個關鍵參數(shù)。雖然這些參數(shù)已經(jīng)得到的不斷地提高，但對設計人員來說，理想的運算放大器依然是一個“神話”，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(shù)設計會非常重視放大器的某一個參數(shù)，這樣，通過犧牲其它參數(shù)指標可以滿足最終要求的設計方案。由此可見，我們的設計目標并非創(chuàng)建一個理想的運算放大器，而是為具體應用創(chuàng)建一個最佳的運算放大器。

　　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，這無疑是設計人員所面臨的一個巨大難題，因為這些設計在要求低功耗的同時，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?？量蹋虼?，小的封裝尺寸是另外一個關鍵指標。傳統(tǒng)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，但由于應用場合對硅片尺寸的苛刻要求，這種封裝器件的失調電壓會增大。所幸借助成熟的IC設計可以在一定程度上降低失調電壓。

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步有助于開發(fā)更高性能、更低成本的運算放大器。傳統(tǒng)的運算放大器采用純雙極型工藝制作，而新的設計技術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(jù)了運算放大器設計的主導地位，隨著工藝的不斷改進，CMOS技術對器件性能(噪聲等)的限制越來越少。當然，更高性能的器件需要采用多種處理工藝。

　　為了滿足各種應用的需求，集成電路制造商對標準運算放大器進行了改進。現(xiàn)在，設計人員不得不從種類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。對器件性能的改進已經(jīng)成為面向應用的規(guī)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1mV。利用自動歸零和斬波穩(wěn)定技術在整個溫度范圍內保持失調漂移最小。斬波穩(wěn)定運算放大器在信號通道包括一個“斬波”放大器，可連續(xù)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擺幅或Beyond-the-Rails輸入級以及滿擺幅輸出級電路更加重要。滿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毫伏的水平，這一特性對于低壓供電下試圖獲得最大動態(tài)范圍的運算放大器來說尤其重要。對于1V甚至更低電壓供電的運算放大器來說，輸入共模電壓和輸出電壓范圍的一點點擴展都非常關鍵。

　　高速信號處理技術的迅速發(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(shù)據(jù)轉換器設計還需要關注低功耗、低電源電壓指標。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。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。按照當前的技術水平，3V供電時，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(tǒng)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態(tài)特性。音頻放大器的一個發(fā)展趨勢是在內部集成電荷泵，例如，Maxim的DirectDrive放大器，從而在單電源供電時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)品提供了一個極具競爭力的優(yōu)勢(圖2)。

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

　　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)新型視頻放大器設計采用單電源供電，并且能夠驅動一個或兩個150Ω的負載。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計方向發(fā)展，例如3V供電，這是IC設計者面臨的又一挑戰(zhàn)。除了低壓工作特性外，許多視頻放大器內部還集成了一個視頻重建濾波器，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，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。隨著設計技術和處理工藝的改進，集成廠商正在不斷開發(fā)滿足市場增長需求的運算放大器。