几类关键运算放大器的基本特性与设计考虑要素
发布时间：2012-4-13 16:46
发布者：wp1981
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作者：圣邦微电子(北京)有限公司 谭磊 运算放大器是典型的模拟集成电路。可以说有了运算放大器才算有了模拟集成电路、其历史也就是模拟集成电路的历史。运算放大器的设计开发不像其外特性那样直观明了；外特性有细微差异的运算放大器内部差异之巨大也往往出乎意料之外；投入资源开发有细微差异的运放是工程需求、工程需求背后的商业利益追求、以及知识产权创新的需要。这从圣邦微电子公司近年开发的运放产品中可以一窥端倪。 微功耗运算放大器 大幅度地减少功耗对应用设计带来的影响不止是节能。如果平均功率需要从mA量级下降到了μA量级甚至μA以下，则供电方案可以有很大不同，使一些原本不方便、不能实现的应用得以实现。例如图1所示的电源电路可以驱动一个以微功耗运算放大器为检测部分、配合储能和间歇执行部分的电路，利用单条电源线的控制负载。一些电源开关盒中实际上只是一条线路，对这些开关升级，例如升级成遥控调光或者接近开关时需要为控制电路供电。负载没有接通时，通过允许流过微量电流供电。如果这个电流较大，会导致负载部分启动或间歇启动；对于轻负载，例如3~5W发光二极管灯尤为显著。实际工程案例利用SGM8041的微功耗特性解决了这一问题。 
图1: 利用微功耗运放改变供电电路。 图1所示的电路设计工作在交流电的电压范围内，但其元件中只有R(以及执行部件和电流互感器T的原副边之间)承受较高电压，其余元件耐压均以参考齐纳管的击穿电压为参考。电流互感器T用于在较大功率负载的应用，在接通期间给控制电路供电；如果负载较小，接通期间也可以通过延迟开启角度取得一定的电压差给控制电路供电。 低功耗产品已很普及，如常用的TLC27L和MCP6041；后者静态电流仅600nA。SGM8141/2为更为极端的微功耗运算器产品，其静态电流仅为350nA，Voffset则控制在最大不超过2.5mV。利用SGM8141/2可以在系统深度休眠时提供连续参数监测，用于唤醒或者异常触发。也用于信号自供电或利用能量收集(例如震动、热和光)的设计中。 微功耗运算放大器设计的挑战在于，如何利用尽可能少的电路实现在全输入范围内保持小而稳定的失调电压。微功耗运放无法利用复杂电路对温度变化补偿和严格根据共模锁定输入节的偏置，失调补偿依赖于参数补偿设计和精细的版图设计。图2是圣邦微功耗运放产品的失调电压分布统计。 
图2: 圣邦微功耗运放的失调电压分布。 微功耗比较器 比较器是常态处于类饱和态的模拟集成电路，仅在比较阈值附近一个微小的区间表现为线性。无论在高速场合还是低速场合，对比较器的需要常被忽视和误解。现实中不乏把放大器当作比较器使用的成功工程案例，真实地反映了对比较器的需求的变化。比较器无论是参数优化还是实际结构实现都跟运算放大器不同；比较器在输出翻转前或者后的传输增益要小，以防止自激；触发翻转后的上升或者下降沿不受前级的爬升率的影响。 传统工程上对比较器的需要大都被取代或者弱化，如快速渡过逻辑器件的逻辑模糊区、精确幅度甄别和抑制在甄别阈值附近的不定状态输出等。主要因为ADC的普及使用和逻辑I/O的设计改进；无论是在逻辑I/O电路中还是利用运放的轻度正反馈滞回，都可以有效避免逻辑不确定性，而定时抖动特性一直不是比较器的强项。 圣邦的设计改进重点在于减少比较器的耗电。微功耗运放用作比较器时在饱和状态工作电流有所增加，退出饱和需要较长时间，比较器则没有这些问题。如图3所示，SGM8701系列微功耗的工作电流稳定在300nA附近的极低水平。 
图3: SGM8701 系列比较器工作电流。 极低功耗比较器可以用于需要潜伏或深度睡眠状态的应用，例如在待机期间持续监测电池电压和连续监视等待唤醒呼叫等。 无交越失真运算放大器 与BTL和C类放大器的交越失真概念不同，无交越失真运放是相对于有输入结构相关交越失真的满幅输入CMOS运放提出的。CMOS运算放大器具有输入阻抗高、工作电流低、易实现满幅输出和不需要区别单双电源设计等突出优点，但是其输入部分栅极与源极之间需要较大压差，共模输入电压范围小，限制了低工作电压使用。如图4所示的互补双差分对结构被用于CMOS运放以允许满幅输入。这种互补双差分对结构保证无论共模电压是接近正电源，还是接近负电源，至少有一个差分对可以工作。工程现实无法保证这两个差分对有完全一致的失调电压。输入共模电压变化使互补双差分对交替工作引起输入相关交越失真。 
图4: 引起交越失真的互补双差分对输入结构。 与输出图腾柱结构的输出交替引起的交越失真不同，输入相关的交越失真无法通过提高开环增益予以改善。SGM8942通过对输入部分偏置结构的改变避免了使用双互补差分对结构，是一种新型的无交越失真满幅输入/输出型运算放大器。 输入相关交越失真仅发生在同相放大应用，如需要高输入阻抗放大器的驻极体输出缓冲、压电换能器的输出缓冲、PT/CT电量传感器输出的缓冲和电位差计输出缓冲等。交越失真生成寄生频谱，或产生虚假微扰动。SGM8942成功地应用于微弧检测、瞬时功率因数测量和电化学扩散电势检测等对微扰敏感的应用中。 高精度运算放大器 从本征特性看，CMOSFET的稳定性和噪声特性，尤其是1/f噪声，以及响应速度均不及双极型晶体管；但其高输入阻抗、低偏置电流、低耗电和结构紧凑等优势双极型器件难以企及。CMOS产品出现以来，改善其噪声、稳定性和速度的努力从来没有中断过。除了少数特别的应用场合，CMOS运放已取代了双极型运放成为主力。例如SGM8551系列高精度运放可保证小于20μV的失调电压和小于20nV/°的温漂，各方面都超过了传统的高精度运放，例如OP07，以及同类的LMV2011。SGM8551已成功用于6位半精度的过程校验仪表。 高精度运算放大器的对应用工程意义明了、毋庸赘叙，其设计工程的挑战则比较特别；高精度运放设计是专利集中的领域，很多电路方案和布线方案受到保护；新设计要在保护和利用的原则下创新。圣邦的高精度运放产品设计是业内最新数据模型和部分创新的结合。 与在高精度测量放大系统中方案灵活多变不同，例如相关双采样方案、斩波调制放大方案和斩波跟踪方案等等，高精度运算放大器的实现方案局限于精密跟踪补偿和交替自稳零两类基础方案。 参考图5，交替自稳零方案的原理与斩波跟踪放大器类似。信号通道上的第一级被分为两个几何分布完全一致的两组；除了切换瞬间，总有一组在通过信号，保证了信号是被近似连续传送和放大的；自稳零校准则是交替进行的。不在传递信号的一组的失调被馈入调零通道，调节偏置使失调为零。 
图5: 交替自稳零的原理示意图。 高电压运算放大器 在工业现场或者类似恶劣条件的场合，采用可直接工作在较高电压的运放有利于提高可用率和执行力。只是提高工作电压对设计容限的改进是有限的；事实上大多数早期的双极型运放可工作在较高电压下，但不能在低电压下工作。现代意义下的高压运放需要高适应性，包括大动态工作电压范围，满幅输入/输出，抗高共模/差模和具备短期过压宽限。以SGM8291为例，其工作电压范围是4.5V~36V，共模和差模均输入允许到电源电压，电源短期过压可超过40V。 现代意义下的高压运放是一个较新的运放品种，例如TI也只是在近期开始推广其OPA171系列的高压运放。这些高压运放全部具有大动态、低电流的特点，以JFET或CMOS作为输入，普遍采用BCD混合结构；其特性优势是双极型高压运放无法抗类比的。高压运放的结构与低压运放的结构不同，如输入节要在大得多的共模电压范围内保持稳定的失调电压，输出节要承受大的栅-漏(或基-集)电压。SGM8291在全电压范围内失调不超过0.9mV并允许输出长期短路。 图6用来解释如何实现这些特性所需要的结构差异的一个示意方案(此示意图并不暗示圣邦使用了这一结构)。其中CC1~CC3恒流源需要利用双极型的本征恒流特性稳定输入差分对的偏置；A采用CMOS取得高增益；T1、T2采用DMOS实现高耐压。低压运放不需要这些组合。 
图6: 解释高压运放结构差异的示意图。 开发高压运放、完善工业产品链的社会意义大于开发者的直接经济意义。尽管高压运放对工业应用来讲是不可或缺的，但实际上，其应用空间被低压结构系统不断挤占。其一是因为在大多系统中信号最终被馈送到或者最初来自低压的数字处理电路，低压系统已具备系统级高设计容限；其二是外围电路改进可利用低压电路取得类似高压器件的容限，分享低压元件选择性大、供应量好和价格低的红利。但是有些应用场景注定需要高压运放，图7示意了在输入侧和输出侧适合使用高压运放的若干情况。 
图7: 若干需要高压运放的情况。 本文小结 半导体集成运算放大器从60年代开发面市，历经半百沧桑到今天还能见到不断有新的产品推出，见证了人类对自然深入探究和提升自我的不断追求。近些年国内出现了若干家像圣邦一样以模拟集成电路开发推广为主要业务的新半导体公司，对拓展应用和推动市场竞争做出贡献；本文介绍的圣邦公司产品的特性均可与已知高性能产品的规格齐平。在成熟的应用中，包括运放在内模拟电路被越来越多地集成到了单片系统中，同时随着认识的深入和处理能力的加强、也不断有新的要求需要新的产品来满足。 |
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