運(yùn)算放大器必知必會(huì):基本特性與設(shè)計(jì)因素須知

運(yùn)算放大器是典型的模擬集成電路?？梢哉f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。這從圣邦微電子公司近年開發(fā)的運(yùn)放產(chǎn)品中可以一窺端倪。

　　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。一些電源開關(guān)盒中實(shí)際上只是一條線路，對(duì)這些開關(guān)升級(jí)，例如升級(jí)成遙控調(diào)光或者接近開關(guān)時(shí)需要為控制電路供電。負(fù)載沒有接通時(shí)，通過允許流過微量電流供電。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題。

　　圖1: 利用微功耗運(yùn)放改變供電電路。

　　圖1所示的電路設(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(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)。

　　圖2: 圣邦微功耗運(yùn)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(gè)微小的區(qū)間表現(xiàn)為線性。無論在高速場(chǎng)合還是低速場(chǎng)合，對(duì)比較器的需要常被忽視和誤解。現(xiàn)實(shí)中不乏把放大器當(dāng)作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。