運算放大器必知必會:基本特性與設(shè)計因素須知

　　運算放大器是典型的模擬集成電路?？梢哉f有了運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。運算放大器的設(shè)計開發(fā)不像其外特性那樣直觀明了;外特性有細微差異的運算放大器內(nèi)部差異之巨大也往往出乎意料之外;投入資源開發(fā)有細微差異的運放是工程需求、工程需求背后的商業(yè)利益追求、以及知識產(chǎn)權(quán)創(chuàng)新的需要。這從圣邦微電子公司近年開發(fā)的運放產(chǎn)品中可以一窺端倪。

　　微功耗運算放大器

　　大幅度地減少功耗對應用設(shè)計帶來的影響不止是節(jié)能。如果平均功率需要從mA量級下降到了μA量級甚至μA以下，則供電方案可以有很大不同，使一些原本不方便、不能實現(xiàn)的應用得以實現(xiàn)。例如圖1所示的電源電路可以驅(qū)動一個以微功耗運算放大器為檢測部分、配合儲能和間歇執(zhí)行部分的電路，利用單條電源線的控制負載。一些電源開關(guān)盒中實際上只是一條線路，對這些開關(guān)升級，例如升級成遙控調(diào)光或者接近開關(guān)時需要為控制電路供電。負載沒有接通時，通過允許流過微量電流供電。如果這個電流較大，會導致負載部分啟動或間歇啟動;對于輕負載，例如3~5W發(fā)光二極管燈尤為顯著。實際工程案例利用SGM8041的微功耗特性解決了這一問題。

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　　圖1: 利用微功耗運放改變供電電路。

　　圖1所示的電路設(shè)計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用于在較大功率負載的應用，在接通期間給控制電路供電;如果負載較小，接通期間也可以通過延遲開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算器產(chǎn)品，其靜態(tài)電流僅為350nA，Voffset則控制在最大不超過2.5mV。利用SGM8141/2可以在系統(tǒng)深度休眠時提供連續(xù)參數(shù)監(jiān)測，用于喚醒或者異常觸發(fā)。也用于信號自供電或利用能量收集(例如震動、熱和光)的設(shè)計中。

　　微功耗運算放大器設(shè)計的挑戰(zhàn)在于，如何利用盡可能少的電路實現(xiàn)在全輸入范圍內(nèi)保持小而穩(wěn)定的失調(diào)電壓。微功耗運放無法利用復雜電路對溫度變化補償和嚴格根據(jù)共模鎖定輸入節(jié)的偏置，失調(diào)補償依賴于參數(shù)補償設(shè)計和精細的版圖設(shè)計。圖2是圣邦微功耗運放產(chǎn)品的失調(diào)電壓分布統(tǒng)計。

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　　圖2: 圣邦微功耗運放的失調(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微小的區(qū)間表現(xiàn)為線性。無論在高速場合還是低速場合，對比較器的需要常被忽視和誤解?，F(xiàn)實中不乏把放大器當作比較器使用的成功工程案例，真實地反映了對比較器的需求的變化。比較器無論是參數(shù)優(yōu)化還是實際結(jié)構(gòu)實現(xiàn)都跟運算放大器不同;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的爬升率的影響。

　　傳統(tǒng)工程上對比較器的需要大都被取代或者弱化，如快速渡過邏輯器件的邏輯模糊區(qū)、精確幅度甄別和抑制在甄別閾值附近的不定狀態(tài)輸出等。主要因為ADC的普及使用和邏輯I/O的設(shè)計改進;無論是在邏輯I/O電路中還是利用運放的輕度正反饋滯回，都可以有效避免邏輯不確定性，而定時抖動特性一直不是比較器的強項。

　　圣邦的設(shè)計改進重點在于減少比較器的耗電。微功耗運放用作比較器時在飽和狀態(tài)工作電流有所增加，退出飽和需要較長時間，比較器則沒有這些問題。如圖3所示，SGM8701系列微功耗的工作電流穩(wěn)定在300nA附近的極低水平。

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　　圖3: SGM8701 系列比較器工作電流。

　　極低功耗比較器可以用于需要潛伏或深度睡眠狀態(tài)的應用，例如在待機期間持續(xù)監(jiān)測電池電壓和連續(xù)監(jiān)視等待喚醒呼叫等。