關鍵運算放大器基本特性與設計考量

　　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)勢雙極型器件難以企及。CMOS產(chǎn)品出現(xiàn)以來，改善其噪聲、穩(wěn)定性和速度的努力從來沒有中斷過。除了少數(shù)特別的應用場合，CMOS運放已取代了雙極型運放成為主力。例如SGM8551系列高精度運放可保證小于20μV的失調(diào)電壓和小于20nV/°的溫漂，各方面都超過了傳統(tǒng)的高精度運放，例如OP07，以及同類的LMV2011。SGM8551已成功用于6位半精度的過程校驗儀表。

　　高精度運算放大器的對應用工程意義明了、毋庸贅敘，其設計工程的挑戰(zhàn)則比較特別；高精度運放設計是專利集中的領域，很多電路方案和布線方案受到保護；新設計要在保護和利用的原則下創(chuàng)新。圣邦的高精度運放產(chǎn)品設計是業(yè)內(nèi)最新數(shù)據(jù)模型和部分創(chuàng)新的結(jié)合。

　　與在高精度測量放大系統(tǒng)中方案靈活多變不同，例如相關雙采樣方案、斬波調(diào)制放大方案和斬波跟蹤方案等等，高精度運算放大器的實現(xiàn)方案局限于精密跟蹤補償和交替自穩(wěn)零兩類基礎方案。

　　參考圖5，交替自穩(wěn)零方案的原理與斬波跟蹤放大器類似。信號通道上的第一級被分為兩個幾何分布完全一致的兩組；除了切換瞬間，總有一組在通過信號，保證了信號是被近似連續(xù)傳送和放大的；自穩(wěn)零校準則是交替進行的。不在傳遞信號的一組的失調(diào)被饋入調(diào)零通道，調(diào)節(jié)偏置使失調(diào)為零。

　　圖5： 交替自穩(wěn)零的原理示意圖。

　　高電壓運算放大器

　　在工業(yè)現(xiàn)場或者類似惡劣條件的場合，采用可直接工作在較高電壓的運放有利于提高可用率和執(zhí)行力。只是提高工作電壓對設計容限的改進是有限的；事實上大多數(shù)早期的雙極型運放可工作在較高電壓下，但不能在低電壓下工作?，F(xiàn)代意義下的高壓運放需要高適應性，包括大動態(tài)工作電壓范圍，滿幅輸入/輸出，抗高共模/差模和具備短期過壓寬限。以SGM8291為例，其工作電壓范圍是4.5V~36V，共模和差模均輸入允許到電源電壓，電源短期過壓可超過40V。

　　現(xiàn)代意義下的高壓運放是一個較新的運放品種，例如TI也只是在近期開始推廣其OPA171系列的高壓運放。這些高壓運放全部具有大動態(tài)、低電流的特點，以JFET或CMOS作為輸入，普遍采用BCD混合結(jié)構(gòu)；其特性優(yōu)勢是雙極型高壓運放無法抗類比的。高壓運放的結(jié)構(gòu)與低壓運放的結(jié)構(gòu)不同，如輸入節(jié)要在大得多的共模電壓范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的失調(diào)電壓，輸出節(jié)要承受大的柵-漏（或基-集）電壓。SGM8291在全電壓范圍內(nèi)失調(diào)不超過0.9mV并允許輸出長期短路。

　　圖6用來解釋如何實現(xiàn)這些特性所需要的結(jié)構(gòu)差異的一個示意方案（此示意圖并不暗示圣邦使用了這一結(jié)構(gòu)）。其中CC1~CC3恒流源需要利用雙極型的本征恒流特性穩(wěn)定輸入差分對的偏置；A采用CMOS取得高增益；T1、T2采用DMOS實現(xiàn)高耐壓。低壓運放不需要這些組合。

　　圖6： 解釋高壓運放結(jié)構(gòu)差異的示意圖。

　　開發(fā)高壓運放、完善工業(yè)產(chǎn)品鏈的社會意義大于開發(fā)者的直接經(jīng)濟意義。盡管高壓運放對工業(yè)應用來講是不可或缺的，但實際上，其應用空間被低壓結(jié)構(gòu)系統(tǒng)不斷擠占。其一是因為在大多系統(tǒng)中信號最終被饋送到或者最初來自低壓的數(shù)字處理電路，低壓系統(tǒng)已具備系統(tǒng)級高設計容限；其二是外圍電路改進可利用低壓電路取得類似高壓器件的容限，分享低壓元件選擇性大、供應量好和價格低的紅利。但是有些應用場景注定需要高壓運放，圖7示意了在輸入側(cè)和輸出側(cè)適合使用高壓運放的若干情況。

　　圖7： 若干需要高壓運放的情況。

　　本文小結(jié)

　　半導體集成運算放大器從60年代開發(fā)面市，歷經(jīng)半百滄桑到今天還能見到不斷有新的產(chǎn)品推出，見證了人類對自然深入探究和提升自我的不斷追求。近些年國內(nèi)出現(xiàn)了若干家像圣邦一樣以模擬集成電路開發(fā)推廣為主要業(yè)務的新半導體公司，對拓展應用和推動市場競爭做出貢獻；本文介紹的圣邦公司產(chǎn)品的特性均可與已知高性能產(chǎn)品的規(guī)格齊平。在成熟的應用中，包括運放在內(nèi)模擬電路被越來越多地集成到了單片系統(tǒng)中，同時隨著認識的深入和處理能力的加強、也不斷有新的要求需要新的產(chǎn)品來滿足。