運(yùn)算放大器的發(fā)展方向及需要權(quán)衡取舍的問題

運(yùn)算放大器是模擬電路設(shè)計(jì)中的基本構(gòu)建模塊，將更小的尺寸和更高的性能相結(jié)合一直是理想的目標(biāo)。本應(yīng)用筆記重點(diǎn)介紹了運(yùn)算放大器的發(fā)展方向，以及需要權(quán)衡取舍的問題。

介紹

在當(dāng)今不斷增長(zhǎng)的電子設(shè)備市場(chǎng)中，對(duì)更高性能的運(yùn)算放大器的需求不斷。更高的帶寬、更低的功耗和更高的精度是新產(chǎn)品所需的一些主要參數(shù)。然而，盡管這些規(guī)格有所改進(jìn)，但理想的運(yùn)算放大器仍然是一個(gè)神話;運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)仍然是一個(gè)權(quán)衡取舍的游戲。幸運(yùn)的是，大多數(shù)應(yīng)用程序都有一個(gè)比其他參數(shù)更關(guān)鍵的參數(shù)，并且可以達(dá)成妥協(xié)。目標(biāo)不是創(chuàng)建理想的運(yùn)算放大器，而是為特定應(yīng)用創(chuàng)建最佳運(yùn)算放大器。

針對(duì)不同應(yīng)用優(yōu)化運(yùn)算放大器

隨著電池供電產(chǎn)品的增加，對(duì)功耗更低的運(yùn)算放大器的需求也越來越大。這些便攜式應(yīng)用中使用的運(yùn)算放大器通常必須采用較低（通常是單）的正電源電壓工作，同時(shí)消耗較少的電流?？蛻魧?duì)低電流消耗的需求給設(shè)計(jì)人員帶來了相當(dāng)大的挑戰(zhàn)，因?yàn)橐恍┻\(yùn)算放大器需要以更高的頻率或更低的噪聲工作，盡管必須消耗較少的電流。

隨著這些便攜式設(shè)備的縮小，電路板空間成為一個(gè)重要因素。因此，對(duì)更小封裝的需求增加。較舊、更流行的表面貼裝封裝之一是小外形 （SO） 封裝，與一些較新的封裝（如 SOT23、SC70）甚至微型芯片級(jí)封裝（如 UCSP）相比，它并不那么“小”。這些較小封裝的寄生電感和電容降低，可改善交流性能，但它們通常會(huì)導(dǎo)致更高的失調(diào)誤差，因?yàn)樗鼈兊氖褂脮?huì)增加硅芯片上的應(yīng)力。幸運(yùn)的是，這些更高的偏移可以通過熟練的IC設(shè)計(jì)來減少。

工藝技術(shù)的改進(jìn)有助于開發(fā)更高性能、更低成本的運(yùn)算放大器。較舊的運(yùn)算放大器采用純雙極性工藝制造，但較新的設(shè)計(jì)可以采用多種工藝的任意組合，包括CMOS、BiCMOS或互補(bǔ)雙極性（CB）。對(duì)于運(yùn)算放大器而言，從成本角度來看，CMOS正在成為主導(dǎo)工藝，隨著工藝技術(shù)的改進(jìn)，CMOS工藝曾經(jīng)引入的性能限制（即噪聲）正在慢慢減少。更高性能的設(shè)備通常需要各種工藝的某種組合。

標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器經(jīng)過了不同修改，以適應(yīng)不同的應(yīng)用。如今，設(shè)計(jì)人員必須在各種運(yùn)算放大器類型中進(jìn)行選擇，例如精度、儀器儀表、電流檢測(cè)、高速甚至音頻和視頻。對(duì)設(shè)備的改進(jìn)已變得更加特定于應(yīng)用程序。

精密運(yùn)算放大器通常不提供高帶寬，但失調(diào)電壓和失調(diào)漂移規(guī)格通常非常出色。保證的失調(diào)電壓可低至1微伏。自動(dòng)歸零和斬波穩(wěn)定技術(shù)通過最大限度地減少失調(diào)漂移的影響，有助于在整個(gè)溫度范圍內(nèi)保持這些規(guī)格。斬波穩(wěn)定運(yùn)算放大器通常在信號(hào)路徑中包括一個(gè)歸零（或“斬波”）放大器，用于連續(xù)校正運(yùn)算放大器的固有失調(diào)電壓。因此，即使在溫度范圍內(nèi)，也可以實(shí)現(xiàn)出色的失調(diào)電壓規(guī)格。

除了低失調(diào)電壓外，較低的電源電壓操作也增加了軌到軌或超軌的重要性?輸入級(jí)和軌到軌輸出級(jí)。軌到軌輸入允許輸入電壓范圍為負(fù)電源至正電源，超擺幅輸入允許輸入電壓超過器件的供電軌。更重要的是，軌到軌輸出保證輸出擺幅在任一供電軌的毫伏以內(nèi)。當(dāng)試圖最大化由低電壓供電的運(yùn)算放大器不斷縮小的動(dòng)態(tài)范圍時(shí)，后一點(diǎn)非常重要。在處理1V或更低的電源電壓時(shí)，輸入共模范圍和輸出電壓范圍的每一位都可能變得至關(guān)重要。

高速信號(hào)處理的快速發(fā)展增加了對(duì)具有單端和差分輸入的精確、高速運(yùn)算放大器的需求。許多新型高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)人員也關(guān)注更低的功耗和電源電壓。無論IC類型如何，速度和功率始終是權(quán)衡取舍。高速運(yùn)算放大器可以提供高達(dá)1GHz量級(jí)的帶寬，但當(dāng)較低的電源電壓為器件供電時(shí)，很難實(shí)現(xiàn)這種性能。如今，人們可以在3V電源電壓下輕松獲得數(shù)百兆赫茲，但I(xiàn)C制造商仍在尋求將閾值推向極致。

運(yùn)算放大器也正成為音頻和視頻應(yīng)用的專用產(chǎn)品。與傳統(tǒng)的精密放大器不同，音頻放大器專為在可聽頻率范圍內(nèi)提供出色的動(dòng)態(tài)性能而設(shè)計(jì)。音頻放大器的一個(gè)新趨勢(shì)是電荷泵的集成，如Maxim的DirectDrive。?放大器，允許采用單電源供電，同時(shí)無需大型隔直電容（通常屬于笨重的電解類型）。采用DirectDrive技術(shù)，放大器的頻率響應(yīng)向下擴(kuò)展到直流，從而改善了低頻下的總諧波失真性能。DirectDrive 方法可降低成本和電路板空間，這對(duì)于競(jìng)爭(zhēng)激烈的便攜式音頻市場(chǎng)具有重要優(yōu)勢(shì)（圖 2）。

圖2.具有板載電荷泵的單電源耳機(jī)放大器免除了增設(shè)笨重隔直電容的需要。

視頻放大器正變得越來越專業(yè)化，集成度越來越高，可以處理各種新興的視頻應(yīng)用。雖然使用雙±5V電源的產(chǎn)品仍然存在，但大多數(shù)較新的視頻放大器設(shè)計(jì)為采用單電源供電，同時(shí)仍驅(qū)動(dòng)一個(gè)或兩個(gè)150Ω負(fù)載。由于便攜式數(shù)字視頻產(chǎn)品市場(chǎng)不斷增長(zhǎng)，視頻放大器已開始向較低的電源電壓（如3V）遷移，這給IC設(shè)計(jì)人員帶來了另一個(gè)挑戰(zhàn)。除單電源供電外，許多視頻放大器還包括用于抗混疊或DAC平滑應(yīng)用的重建濾波器。一些視頻放大器甚至包括黑電平或后門鉗位，以消除外部偏置或箝位電路。與音頻放大器一樣，視頻放大器也開始使用DirectDrive技術(shù)，允許放大器適應(yīng)視頻信號(hào)中的負(fù)同步脈沖，從而消除了對(duì)外部偏置的需求。

結(jié)論

運(yùn)算放大器是模擬電路設(shè)計(jì)中最基本的構(gòu)建模塊之一。因此，它必須跟上快速發(fā)展的電子行業(yè)。對(duì)低功耗和更小封裝的普遍需求已經(jīng)激發(fā)了微功耗運(yùn)算放大器的靈感，這些運(yùn)算放大器采用肉眼幾乎看不見的封裝方式：UCSP封裝。然而，運(yùn)算放大器仍在不斷發(fā)展。隨著設(shè)計(jì)和工藝技術(shù)的穩(wěn)步改進(jìn)，制造商將繼續(xù)創(chuàng)造滿足行業(yè)不斷增長(zhǎng)的要求的運(yùn)算放大器。

審核編輯：郭婷