關(guān)鍵運算放大器基本特性與設計考量

　　從本征特性看，CMOSFET的穩定性和噪聲特性，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)品出現以來(lái)，改善其噪聲、穩定性和速度的努力從來(lái)沒(méi)有中斷過(guò)。除了少數特別的應用場(chǎng)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/°的溫漂，各方面都超過(guò)了傳統的高精度運放，例如OP07，以及同類(lèi)的LMV2011。SGM8551已成功用于6位半精度的過(guò)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，其設計工程的挑戰則比較特別；高精度運放設計是專(zhuān)利集中的領(lǐng)域，很多電路方案和布線(xiàn)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)內最新數據模型和部分創(chuàng )新的結合。

　　與在高精度測量放大系統中方案靈活多變不同，例如相關(guān)雙采樣方案、斬波調制放大方案和斬波跟蹤方案等等，高精度運算放大器的實(shí)現方案局限于精密跟蹤補償和交替自穩零兩類(lèi)基礎方案。

　　參考圖5，交替自穩零方案的原理與斬波跟蹤放大器類(lèi)似。信號通道上的第一級被分為兩個(gè)幾何分布完全一致的兩組；除了切換瞬間，總有一組在通過(guò)信號，保證了信號是被近似連續傳送和放大的；自穩零校準則是交替進(jìn)行的。不在傳遞信號的一組的失調被饋入調零通道，調節偏置使失調為零。

　　圖5： 交替自穩零的原理示意圖。

　　高電壓運算放大器

　　在工業(yè)現場(chǎng)或者類(lèi)似惡劣條件的場(chǎng)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行力。只是提高工作電壓對設計容限的改進(jìn)是有限的；事實(shí)上大多數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代意義下的高壓運放需要高適應性，包括大動(dòng)態(tài)工作電壓范圍，滿(mǎn)幅輸入/輸出，抗高共模/差模和具備短期過(guò)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(guò)壓可超過(guò)40V。

　　現代意義下的高壓運放是一個(gè)較新的運放品種，例如TI也只是在近期開(kāi)始推廣其OPA171系列的高壓運放。這些高壓運放全部具有大動(dòng)態(tài)、低電流的特點(diǎn)，以JFET或CMOS作為輸入，普遍采用BCD混合結構；其特性優(yōu)勢是雙極型高壓運放無(wú)法抗類(lèi)比的。高壓運放的結構與低壓運放的結構不同，如輸入節要在大得多的共模電壓范圍內保持穩定的失調電壓，輸出節要承受大的柵-漏（或基-集）電壓。SGM8291在全電壓范圍內失調不超過(guò)0.9mV并允許輸出長(cháng)期短路。

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

　　圖6： 解釋高壓運放結構差異的示意圖。

　　開(kāi)發(fā)高壓運放、完善工業(yè)產(chǎn)品鏈的社會(huì )意義大于開(kāi)發(fā)者的直接經(jīng)濟意義。盡管高壓運放對工業(yè)應用來(lái)講是不可或缺的，但實(shí)際上，其應用空間被低壓結構系統不斷擠占。其一是因為在大多系統中信號最終被饋送到或者最初來(lái)自低壓的數字處理電路，低壓系統已具備系統級高設計容限；其二是外圍電路改進(jìn)可利用低壓電路取得類(lèi)似高壓器件的容限，分享低壓元件選擇性大、供應量好和價(jià)格低的紅利。但是有些應用場(chǎng)景注定需要高壓運放，圖7示意了在輸入側和輸出側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

　　半導體集成運算放大器從60年代開(kāi)發(fā)面市，歷經(jīng)半百滄桑到今天還能見(jiàn)到不斷有新的產(chǎn)品推出，見(jiàn)證了人類(lèi)對自然深入探究和提升自我的不斷追求。近些年國內出現了若干家像圣邦一樣以模擬集成電路開(kāi)發(fā)推廣為主要業(yè)務(wù)的新半導體公司，對拓展應用和推動(dòng)市場(chǎng)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)品的規格齊平。在成熟的應用中，包括運放在內模擬電路被越來(lái)越多地集成到了單片系統中，同時(shí)隨著(zhù)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(lái)滿(mǎn)足。