如何確保系統設計受歡迎

        每當系統設計工程師進(jìn)行產(chǎn)品的設計時(shí)，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(lái)說(shuō)，現實(shí)是殘酷的；每當要構思新的設計時(shí)，他們常常要在兩個(gè)同等重要的參數之間進(jìn)行取舍。以可攜式電子產(chǎn)品而言，系統設計工程師還得面對成本壓力；因為只有將產(chǎn)品價(jià)格盡量降低，才可借著(zhù)價(jià)格優(yōu)勢，搶占更大的市場(chǎng)。

        工藝技術(shù)

        對設計集成電路的工程師來(lái)說(shuō)，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(wù)。換言之，工程師僅有才華并不足夠，他們尚需倚賴(lài)先進(jìn)的工藝技術(shù)，才能解決無(wú)法預見(jiàn)的棘手問(wèn)題。

       美國國家半導體率先開(kāi)發(fā)的VIP50 BiCMOS 工藝技術(shù)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(shù)的面世不僅是可攜式電子產(chǎn)品發(fā)展史上的一個(gè)里程碑，同時(shí)也代表了整個(gè)電子產(chǎn)業(yè)進(jìn)入新世代。利用VIP50工藝技術(shù)生產(chǎn)的集成電路，不僅可以確保直流電作業(yè)時(shí)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(diǎn)。5V 的LMV651 BiCMOS 放大器便是利用這種工藝技術(shù)生產(chǎn)的其中一款產(chǎn)品，其效能之卓越簡(jiǎn)直令人難以置信。

       可滿(mǎn)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(dòng)態(tài)范圍等優(yōu)點(diǎn)，因此可以支持多種不同的應用，并確保不同系統都能充分發(fā)揮其效能。以低電壓系統為例來(lái)說(shuō)，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(shí)只會(huì )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(dòng)10kΩ，其電壓擺幅約3V電壓減去50mV，若驅動(dòng)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(dòng)態(tài)范圍如此廣闊，因此最適用于低電壓的系統。

        此外，LMV651芯片若以交流電作業(yè)，其表現也非常優(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(huì )輕易受干擾而使電壓下降，以致放大器的輸入端出現錯誤，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?jì)x表。這是一個(gè)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(lái)看，外型輕巧纖薄的可攜式電子產(chǎn)品愈來(lái)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來(lái)說(shuō)，這是不可忽略的重要參數。

       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(huì )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(xiàn)路的位置，有助于縮短線(xiàn)路長(cháng)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(huì )受到影響。部分可攜式系統不得不采用兩個(gè)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(shí)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來(lái)說(shuō)，LMV651芯片是個(gè)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(diǎn)，優(yōu)于其它同類(lèi)的低功率芯片。這款芯片最適用于聲頻系統的前端電路，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)品及系統設計。

       高精度與低功率的結合

       系統設計工程師有很多時(shí)候得得面對以下這個(gè)問(wèn)題：系統若以直流電作業(yè)，芯片的準確性必須不受影響；但采用交流電作業(yè)時(shí)，相關(guān)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L(cháng)MP7701的高精度放大器采用美國國家半導體的VIP50工藝技術(shù)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(zhù)開(kāi)環(huán)增益極高而減少。此外，由于整個(gè)電路的開(kāi)環(huán)增益極高(兩個(gè)放大器的乘積)，因此增益錯誤也較少。對于數據擷取等系統來(lái)說(shuō)，減少增益錯誤是非常重要的要件，因為這會(huì )是系統出現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(shí)訊號產(chǎn)生的振鈴振蕩，確保增益穩定(不會(huì )出現尖峰)。LMV651芯片的反相節點(diǎn)與回授電路之間可以在有需要時(shí)加插電容器，以便消除LMV651芯片輸入偏置電流可能會(huì )產(chǎn)生的不利影響。

       設計復合放大器時(shí)，最好預先核對其頻率及瞬時(shí)反應，這樣做會(huì )比較穩當。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(xiàn)附近的輸出擺幅沒(méi)有任何振鈴振蕩或過(guò)沖，即表示頻率的增益非常穩定。

       圖2顯示該模擬電路的測試結果。相關(guān)組件的數值只適用于這次仿真測試，實(shí)際作業(yè)時(shí)，有關(guān)數字可能會(huì )有出入。圖2顯示的兩條曲線(xiàn)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(shí)反應(上方的曲線(xiàn))，下方的曲線(xiàn)顯示復合放大器的轉換率為3V/μs，這個(gè)數值與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(wú)疑問(wèn)的是，目前整個(gè)可攜式電子產(chǎn)品市場(chǎng)以醫療設備等產(chǎn)品的增長(cháng)為最快。血糖監控器、血液分析儀、助聽(tīng)器及血壓監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，電池續航力更長(cháng)。但照目前的趨勢發(fā)展，可攜式醫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監控器這類(lèi)產(chǎn)品必須能夠迅速提供準確的測量數字，而且必須能夠以無(wú)線(xiàn)方式在現場(chǎng)(例如救護車(chē)或事故現場(chǎng))將數據實(shí)時(shí)傳送給負責的醫護人員。

       由于這些可攜式醫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(diǎn)，因此系統設計工程師可以采用較小的電阻，以便減少系統的噪聲，以及延長(cháng)電池壽命。



       圖4：可攜式ECG監控器的簡(jiǎn)化方塊圖。