必須使用單電源運算放大器

必須使用單電源運算放大器
作者：Bonnie C. Baker，德州儀器 (TI)
關(guān)鍵字：模擬電路設計、工業(yè)應用、醫療電子、運算放大器、系統設計、工程教育、物理驗證和分析、信號完整性、設計方法

電源電壓值下降，而信號的質(zhì)量和完整性不斷提高。這種情況下，服務(wù)于一些應用（例如：高精度、或 SAR 轉換器系統等）的基本模擬器件都能感覺(jué)到那些難以達到較高軌至軌輸入性能的放大器不堪重負。簡(jiǎn)單的軌至軌運算放大器 (op amp) 必須具有一個(gè)真正跨越最小失真電源的晶體管設計。在許多應用電路中，這種要求都是沒(méi)有商量余地的。

早在 20 世紀 70 年代，單電源運算放大器設計發(fā)展趨勢便以單差動(dòng)輸入級開(kāi)始，其涵蓋了一部分共模輸入范圍。這種器件之后，運算放大器設計有了兩個(gè)差動(dòng)輸入級（互補輸入級），它們在整個(gè)放大器軌至軌共模范圍共享軌至軌輸入運算（有一些失真）（請參見(jiàn)參考文獻 1）。這些解決方案中，沒(méi)有一個(gè)能夠產(chǎn)生一種滿(mǎn)足覆蓋放大器全共模輸入范圍所需高精度系統要求的放大器。

最后，集成電路設計人員借助了其他器件的技術(shù)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題?，F在，再平常不過(guò)的充電泵用來(lái)將放大器的一個(gè)單差動(dòng)輸入級推至正電源以上（請參見(jiàn)圖1）。放大器設計人員將開(kāi)關(guān)機制頻率置于放大器帶寬之上，并讓開(kāi)關(guān)噪聲維持在放大器理論噪聲底限以下。

圖 1 OPA635 和 OPA333 單電源放大器的輸入拓撲

那么，帶充電泵的單差動(dòng)輸入級給您帶來(lái)了什么呢？您的放大器共模抑制比 (CMRR) 有望增加 20 dB 到 30 dB。如果放大器是在某個(gè)緩沖結構中，則這種增加便具有積極的影響。您還可以將放大器總諧波失真度降低近 10x。因此，如果您使用一個(gè)輸入級中具有充電泵的放大器來(lái)驅動(dòng)高精度 SAR 或 轉換器，您會(huì )發(fā)現您的系統性能提高了。

例如，由一個(gè)緩沖結構運算放大器驅動(dòng)的 ADC 的總諧波失真，等于 ADC 和運算放大器失真貢獻度的方和根。這種結構下，系統 THD 為：
，其中 。
THD OPA-% 為百分比單位運算放大器產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)的 THD 規范。

利用這些公式，如果帶互補輸入級的運算放大器具有 0.004% (VIN=4 VpCp) 的THD 規范，并且 16 位 SAR ADC 具有 C99 dB 的 THD 規范，則系統 THD 為C88dB?；蛘?，如果運算放大器的輸入級有一個(gè) 0.0004% (VIN=4 VpCp) THD 規范的充電泵（請參見(jiàn)圖 1），則系統 THD 變?yōu)?C98 dB。

單電源放大器始終緊跟高精度轉換器的發(fā)展。這是通過(guò)設計許多創(chuàng )新放大器電路拓撲（例如：帶充電泵的輸入級）來(lái)實(shí)現的。盡管充電泵是一種很好的權宜之計，但我們仍追求更低電壓的系統電源，和更高的信號完整性。我想，創(chuàng )新模擬電路設計人員終究會(huì )有一個(gè)美好的未來(lái)！