如何確保系統(tǒng)設計受歡迎

        每當系統(tǒng)設計工程師進行產(chǎn)品的設計時，都必須在速度、功耗、噪聲及封裝大小等方面作出取舍以取得平衡。

        對他們來說，現(xiàn)實是殘酷的；每當要構思新的設計時，他們常常要在兩個同等重要的參數(shù)之間進行取舍。以可攜式電子產(chǎn)品而言，系統(tǒng)設計工程師還得面對成本壓力；因為只有將產(chǎn)品價格盡量降低，才可借著價格優(yōu)勢，搶占更大的市場。

        工藝技術

        對設計集成電路的工程師來說，只要擁有合適的工具，完成創(chuàng)新巧妙的電路設計并不是件艱難的任務。換言之，工程師僅有才華并不足夠，他們尚需倚賴先進的工藝技術，才能解決無法預見的棘手問題。

       美國國家半導體率先開發(fā)的VIP50 BiCMOS 工藝技術最適合于生產(chǎn)低功率芯片，這方面的優(yōu)勢非其它工藝所能代替。這種工藝技術的面世不僅是可攜式電子產(chǎn)品發(fā)展史上的一個里程碑，同時也代表了整個電子產(chǎn)業(yè)進入新世代。利用VIP50工藝技術生產(chǎn)的集成電路，不僅可以確保直流電作業(yè)時的準確性，而且還有超高準確度、極低功耗、更高速度及較低噪聲等優(yōu)點。5V 的LMV651 BiCMOS 放大器便是利用這種工藝技術生產(chǎn)的其中一款產(chǎn)品，其效能之卓越簡直令人難以置信。

       可滿足不同應用的不同要求

       由于LMV651芯片具有高精度、高速、低功耗、低噪聲以及廣闊動態(tài)范圍等優(yōu)點，因此可以支持多種不同的應用，并確保不同系統(tǒng)都能充分發(fā)揮其效能。以低電壓系統(tǒng)為例來說，放大器芯片除了必須符合低功耗的要求之外，還必須確保以低供電電壓作業(yè)時只會產(chǎn)生極輕微的壓降。此外，LMV651芯片內建電壓擺幅極小的輸出級，若以3V電壓驅動10kΩ，其電壓擺幅約3V電壓減去50mV，若驅動2kΩ的負載，電壓擺幅大約只有3V電壓減去80mV。由于這款芯片的動態(tài)范圍如此廣闊，因此最適用于低電壓的系統(tǒng)。

        此外，LMV651芯片若以交流電作業(yè)，其表現(xiàn)也非常優(yōu)異。這款芯片的電源供應抑制率(PSRR)高達95dB，可以確?？蓴y式電子產(chǎn)品不會輕易受干擾而使電壓下降，以致放大器的輸入端出現(xiàn)錯誤，因此最適用于以電池供電的可攜式電子產(chǎn)品。

        此外，LMV651芯片的共模抑制率(CMRR)高達100dB，只要將這款芯片搭配另外兩顆放大器，便可組建內含3顆運算放大器的測量儀表。這是一個低功率及低成本的離散式解決方案。

        噪聲較低、封裝小巧

        從目前趨勢來看，外型輕巧纖薄的可攜式電子產(chǎn)品愈來愈受消費者的歡迎，LMV651芯片采用超小型的SC70封裝，輸入偏移電壓只有100μV，而寬帶噪聲則只有17nV/√Hz。此外，由于LMV651芯片內建雙極前端電路，因此中頻轉角閃爍噪聲較少。對于直流電作業(yè)準確性要求較高的系統(tǒng)來說，這是不可忽略的重要參數(shù)。

       低噪聲與小巧封裝也有另一項好處，像是LMV651芯片可應用于高密度的電路板，而且不會輕易受電路板的噪聲干擾。此外，由于封裝較小，因此這款芯片可以置于靠近饋電線路的位置，有助于縮短線路長度以及減少不必要的電感。

       低功率、高頻寬

        一旦降低功率，頻寬便必然會受到影響。部分可攜式系統(tǒng)不得不采用兩個串聯(lián)一起的放大器，以便提供足夠的頻寬，以及將功耗降至不影響效能表現(xiàn)的最低水平。

       低功率放大器的應用范圍非常廣泛，除了可攜式電子產(chǎn)品之外，工業(yè)設備如近距離感測感應器很多時都采用低功率放大器。LMV651芯片的單位增益頻寬高達12MHz，轉換率達3V/μs，但供電電流則只需115μA，對于必須放大微弱訊號的應用如流程控制系統(tǒng)來說，LMV651芯片是個理想的選擇。

       低噪聲、低失真

       LMV651芯片具有低噪聲、低失真(THD+N)及輸出電流較為理想等優(yōu)點，優(yōu)于其它同類的低功率芯片。這款芯片最適用于聲頻系統(tǒng)的前端電路，例如，噪聲抑制電路。由于這款芯片采用SC70封裝，因此最適用于耳機或PDA等小型的電子產(chǎn)品及系統(tǒng)設計。

       高精度與低功率的結合

       系統(tǒng)設計工程師有很多時候得得面對以下這個問題：系統(tǒng)若以直流電作業(yè)，芯片的準確性必須不受影響；但采用交流電作業(yè)時，相關芯片又必須能夠充分發(fā)揮其效能。圖1顯示的復合放大器充分利用LMP7701的高精度特性。這款型號為LMP7701的高精度放大器采用美國國家半導體的VIP50工藝技術制造。LMV651芯片則置于電路的回授部分，因此芯片的輸入偏移電壓及噪聲隨著開環(huán)增益極高而減少。此外，由于整個電路的開環(huán)增益極高(兩個放大器的乘積)，因此增益錯誤也較少。對于數(shù)據(jù)擷取等系統(tǒng)來說，減少增益錯誤是非常重要的要件，因為這會是系統(tǒng)出現(xiàn)錯誤訊號的主要原因。

       這款復合放大器可以充分利用LMV651芯片的較低轉換率，提供高頻寬的快速訊號處理，但總功耗仍然極低，大約只有800μA?；厥陔娙萜骺梢詼p少瞬時訊號產(chǎn)生的振鈴振蕩，確保增益穩(wěn)定(不會出現(xiàn)尖峰)。LMV651芯片的反相節(jié)點與回授電路之間可以在有需要時加插電容器，以便消除LMV651芯片輸入偏置電流可能會產(chǎn)生的不利影響。

       設計復合放大器時，最好預先核對其頻率及瞬時反應，這樣做會比較穩(wěn)當。在此可以先將100μV的微弱訊號輸入增益為100倍的復合放大器的輸入端。若供電干線附近的輸出擺幅沒有任何振鈴振蕩或過沖，即表示頻率的增益非常穩(wěn)定。

       圖2顯示該模擬電路的測試結果。相關組件的數(shù)值只適用于這次仿真測試，實際作業(yè)時，有關數(shù)字可能會有出入。圖2顯示的兩條曲線都各有40dB的增益(100)，表示可利用回授電容器消除增益尖峰。

       圖3顯示LMV651芯片輸出端的瞬時反應(上方的曲線)，下方的曲線顯示復合放大器的轉換率為3V/μs，這個數(shù)值與LMV651芯片的轉換率一致。



圖1：低功率復合放大器。



圖2：復合放大器的頻率反應



圖3：復合放大器的輸出及轉換率

      輕巧纖薄、攜帶方便

       毫無疑問的是，目前整個可攜式電子產(chǎn)品市場以醫(yī)療設備等產(chǎn)品的增長為最快。血糖監(jiān)控器、血液分析儀、助聽器及血壓監(jiān)控器都紛紛采用低成本、低功耗及封裝小巧的集成電路解決方案，確保電子產(chǎn)品更輕巧纖薄，電池續(xù)航力更長。但照目前的趨勢發(fā)展，可攜式醫(yī)療設備必須采用更創(chuàng)新的設計，才可確保產(chǎn)品更方便攜帶、反應更快。像ECG監(jiān)控器這類產(chǎn)品必須能夠迅速提供準確的測量數(shù)字，而且必須能夠以無線方式在現(xiàn)場(例如救護車或事故現(xiàn)場)將數(shù)據(jù)實時傳送給負責的醫(yī)護人員。

       由于這些可攜式醫(yī)療測量設備非常靈敏，因此很易受噪聲干擾，以致造成訊號失真。LMV651芯片的中頻轉角噪聲極低，而寬帶噪聲更低至只有17nV/√Hz，比20kΩ電阻所產(chǎn)生的噪聲還少。LMV651芯片具有低噪聲及低靜態(tài)電流的優(yōu)點，因此系統(tǒng)設計工程師可以采用較小的電阻，以便減少系統(tǒng)的噪聲，以及延長電池壽命。



       圖4：可攜式ECG監(jiān)控器的簡化方塊圖。