戰(zhàn)地黃花分外香――競爭與繁榮的傳統(tǒng)產(chǎn)品運放

運算放大器是典型的模擬集成電路。可以說有了運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。運算放大器的設計開發(fā)不像其外特性那樣直觀明了；外特性有細微差異的運算放大器內(nèi)部差異之巨大也往往出乎意料之外；投入資源開發(fā)有細微差異的運放是工程需求、工程需求背后的商業(yè)利益追求、以及知識產(chǎn)權創(chuàng)新的需要。從圣邦微電子公司近年的產(chǎn)品開發(fā)中可以一窺其中端倪。

微功耗運算放大器

大幅度地減少功耗對應用設計帶來的影響不止是節(jié)能。如果平均功率需要從mA量級下降到了μA量級甚至μA以下，則供電方案可以有很大不同，使一些原本不方便、不能實現(xiàn)的應用得以實現(xiàn)。例如圖1所示的電源電路可以驅動一個以微功耗運算放大器為檢測部分、配合儲能和間歇執(zhí)行部分的電路，利用單條電源線的控制負載。一些電源開關盒中實際上只是一條線路，對這些開關升級，例如升級成遙控調光或者接近開關時需要為控制電路供電。負載沒有接通時，通過允許流過微量電流供電。如果這個電流較大，會導致負載部分啟動或間歇啟動；對于輕負載，例如3~5W發(fā)光二極管燈尤為顯著。實際工程案例利用SGM8041的微功耗特性解決了這一問題。

圖1所示的電路電路設計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用于在較大功率負載的應用，在接通期間給控制電路供電；如果負載較小，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。圖1.利用微功耗運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)深度休眠時提供連續(xù)參數(shù)監(jiān)測，用于喚醒或者異常觸發(fā)。也用于信號自供電或者利用能量收集（例如震動、熱和光）的設計中。

微功耗運算放大器設計的挑戰(zhàn)在于如何利用盡可能少的電路實現(xiàn)在全輸入范圍內(nèi)保持小而穩(wěn)定的失調電壓。微功耗運放無法利用復雜電路對溫度變化補償和嚴格根據(jù)共模鎖定輸入節(jié)的偏置，失調補償依賴于參數(shù)補償設計和精細的版圖設計。圖2是圣邦微功耗運放產(chǎn)品的失調電壓分布統(tǒng)計。

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微小的區(qū)間表現(xiàn)為線性。無論在高速場合還是低速場合，對比較器的需要常被忽視和誤解?，F(xiàn)實中不乏把放大器當做比較器使用的成功工程案例，真實地反映了對比較器的需求的變化。比較器無論是參數(shù)優(yōu)化還是實際結構實現(xiàn)都跟運算放大器不同；比較器在輸出翻轉前或者后的傳輸增益要小，以防止自激；觸發(fā)翻轉后的上升或者下降沿不受前級的爬升率的影響。傳統(tǒng)工程上對比較器的需要大都被取代或者弱化，如快速渡過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。主要因為ADC的普及使用和邏輯I/O的設計改進；無論是在邏輯I/O電路中還是利用運放的輕度正反饋滯回都可以有效地避免邏輯不確定性，而定時抖動特性一直不是比較器的強項1。

圣邦的設計改進重點在于減少比較器的耗電。微功耗運放用作比較器時在飽和狀態(tài)工作電流有所增加，退出飽和需要較長時間，比較器則沒有這些問題。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)的應用，例如在待機期間持續(xù)監(jiān)測電池電壓和連續(xù)監(jiān)視等待喚醒呼叫等。圖3.SGM8701系列比較器工作電流。

無交越失真運算放大器

與BTL和C類放大器的交越失真概念不同，無交越失真運放是相對于有輸入結構相關交越失真的滿幅輸入CMOS運放提出的。CMOS運算放大器具有輸入阻抗高、工作電流低、易實現(xiàn)滿幅輸出和不需要區(qū)別單雙電源設計等突出優(yōu)點，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所示的互補雙差分對結構被用于CMOS運放以允許滿幅輸入。這種互補雙差分對結構保證無論共模電壓是接近正電源還是接近負電源，至少有一個差分對可以工作。工程現(xiàn)實無法保證這兩個差分對有完全一致的失調電壓。輸入共模電壓變化使互補雙差分對交替工作引起輸入相關交越失真。

與輸出圖騰柱結構的輸出交替引起的交越失真不同，輸入相關的交越失真無法通過提高開環(huán)增益予以改善。SGM8942通過對輸入部分偏置結構的改變避免了使用雙互補差分對結構，是一種新型的無交越失真滿幅輸入/輸出型運算放大器。

輸入相關交越失真僅發(fā)生在同相放大應用，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輸出緩沖等。交越失真生成寄生頻譜，或產(chǎn)生虛假微擾動。SGM8942成功地應用于微弧檢測、瞬時功率因數(shù)測量和電化學擴散電勢檢測等對微擾敏感的應用中。

高精度運算放大器

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、低耗電和結構緊湊等優(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的失調電壓和小于20nV/°C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。