戰(zhàn)地黃花分外香――競(jìng)爭(zhēng)與繁榮的傳統(tǒng)產(chǎn)品運(yùn)放

運(yùn)算放大器是典型的模擬集成電路?？梢哉f(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。從圣邦微電子公司近年的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中可以一窺其中端倪。

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所示的電路電路設(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。圖1.利用微功耗運(yùn)放改變供電電路的示意。

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)自供電或者利用能量收集（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)。

微功耗比較器

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)做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。傳統(tǒng)工程上對(duì)比較器的需要大都被取代或者弱化，如快速渡過(guò)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?yàn)锳DC的普及使用和邏輯I/O的設(shè)計(jì)改進(jìn)；無(wú)論是在邏輯I/O電路中還是利用運(yùn)放的輕度正反饋滯回都可以有效地避免邏輯不確定性，而定時(shí)抖動(dòng)特性一直不是比較器的強(qiáng)項(xiàng)1。

圣邦的設(shè)計(jì)改進(jìn)重點(diǎn)在于減少比較器的耗電。微功耗運(yùn)放用作比較器時(shí)在飽和狀態(tài)工作電流有所增加，退出飽和需要較長(zhǎng)時(shí)間，比較器則沒(méi)有這些問(wèn)題。參考圖3，SGM8701系列微功耗的工作電流穩(wěn)定在300nA附近的極低水平。

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(yīng)用，例如在待機(jī)期間持續(xù)監(jiān)測(cè)電池電壓和連續(xù)監(jiān)視等待喚醒呼叫等。圖3.SGM8701系列比較器工作電流。

無(wú)交越失真運(yùn)算放大器

與BTL和C類放大器的交越失真概念不同，無(wú)交越失真運(yùn)放是相對(duì)于有輸入結(jié)構(gòu)相關(guān)交越失真的滿幅輸入CMOS運(yùn)放提出的。CMOS運(yùn)算放大器具有輸入阻抗高、工作電流低、易實(shí)現(xiàn)滿幅輸出和不需要區(qū)別單雙電源設(shè)計(jì)等突出優(yōu)點(diǎn)，但是其輸入部分柵極與源極之間需要較大壓差，共模輸入電壓范圍小，限制了低工作電壓使用。如圖4所示的互補(bǔ)雙差分對(duì)結(jié)構(gòu)被用于CMOS運(yùn)放以允許滿幅輸入。這種互補(bǔ)雙差分對(duì)結(jié)構(gòu)保證無(wú)論共模電壓是接近正電源還是接近負(fù)電源，至少有一個(gè)差分對(duì)可以工作。工程現(xiàn)實(shí)無(wú)法保證這兩個(gè)差分對(duì)有完全一致的失調(diào)電壓。輸入共模電壓變化使互補(bǔ)雙差分對(duì)交替工作引起輸入相關(guān)交越失真。

與輸出圖騰柱結(jié)構(gòu)的輸出交替引起的交越失真不同，輸入相關(guān)的交越失真無(wú)法通過(guò)提高開(kāi)環(huán)增益予以改善。SGM8942通過(guò)對(duì)輸入部分偏置結(jié)構(gòu)的改變避免了使用雙互補(bǔ)差分對(duì)結(jié)構(gòu)，是一種新型的無(wú)交越失真滿幅輸入/輸出型運(yùn)算放大器。

輸入相關(guān)交越失真僅發(fā)生在同相放大應(yīng)用，如需要高輸入阻抗放大器的駐極體輸出緩沖、壓電換能器的輸出緩沖、PT/CT電量傳感器輸出的緩沖和電位差計(jì)輸出緩沖等。交越失真生成寄生頻譜，或產(chǎn)生虛假微擾動(dòng)。SGM8942成功地應(yīng)用于微弧檢測(cè)、瞬時(shí)功率因數(shù)測(cè)量和電化學(xué)擴(kuò)散電勢(shì)檢測(cè)等對(duì)微擾敏感的應(yīng)用中。

高精度運(yùn)算放大器

從本征特性看，CMOSFET的穩(wěn)定性和噪聲特性，尤其是1/f噪聲，以及響應(yīng)速度均不及雙極型晶體管；但其高輸入阻抗、低偏置電流、低耗電和結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)勢(shì)雙極型器件難以企及。CMOS產(chǎn)品出現(xiàn)以來(lái)，改善其噪聲、穩(wěn)定性和速度的努力從來(lái)沒(méi)有中斷過(guò)。除了少數(shù)特別的應(yīng)用場(chǎng)合，CMOS運(yùn)放已取代了雙極型運(yùn)放成為主力。例如SGM8551系列高精度運(yùn)放可保證小于20μV的失調(diào)電壓和小于20nV/°C的溫漂，各方面都超過(guò)了傳統(tǒng)的高精度運(yùn)放，例如OP07，以及同類的LMV2011。SGM8551已成功用于6位半精度的過(guò)程校驗(yàn)儀表。