引言
不斷增長的電子元器件市場始終保持著對高性能運(yùn)算放大器的巨大需求,。寬帶,、低功耗、高精度只是新產(chǎn)品要求的幾個關(guān)鍵參數(shù),。雖然這些參數(shù)已經(jīng)得到的不斷地提高,，但對設(shè)計(jì)人員來說，理想的運(yùn)算放大器依然是一個“神話”,，在運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)中仍然需要做出各種折中選擇,。值得慶幸的是，大多數(shù)設(shè)計(jì)會非常重視放大器的某一個參數(shù),，這樣,，通過犧牲其它參數(shù)指標(biāo)可以得到滿足最終要求設(shè)計(jì)方案。由此可見,，我們的設(shè)計(jì)目標(biāo)并非創(chuàng)建一個理想的運(yùn)算放大器,，而是為具體應(yīng)用創(chuàng)建一個最佳的運(yùn)算放大器。
針對具體應(yīng)用優(yōu)化運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)
電池供電產(chǎn)品的發(fā)展需要功耗更低的運(yùn)算放大器,，便攜產(chǎn)品中的運(yùn)算放大器通常工作在較低的單電源電壓 (正電壓)下,，消耗極低的電源電流，這無疑是設(shè)計(jì)人員所面臨的一個巨大難題,，因?yàn)檫@些設(shè)計(jì)在要求低功耗的同時(shí),，還需要工作在較高頻率或要求低噪聲。
另外，便攜產(chǎn)品設(shè)計(jì)對電路板尺寸要求非?？量?，因此，小的封裝尺寸是另外一個關(guān)鍵指標(biāo),。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中比較普遍的小外形(SO)表面貼封裝相對于一些新型封裝,，如SOT23、SC70或晶片級封裝,，如UCSP (圖1所示),，已經(jīng)不是真正意義上的“小尺寸”。新推出的小型封裝減小了寄生電感和寄生電容,，因而改善了電路的交流特性,，但由于應(yīng)用場合對硅片尺寸的苛刻要求，這種封裝器件的失調(diào)電壓會增大,。所幸借助成熟的IC設(shè)計(jì)可以在一定程度上降低失調(diào)電壓,。
MAX4292雙路" border="0" height="178" hspace="0" src="http://files.chinaaet.com/images/20100810/faa0a0fc-4553-4701-b1a7-04b3d9ce702b.jpg" width="284" />
圖1. MAX4292雙路、精密運(yùn)算放大器,，采用微小的晶片級(UCSP)封裝,。
半導(dǎo)體處理工藝的進(jìn)步有助于開發(fā)更高性能、更低成本的運(yùn)算放大器,。傳統(tǒng)的運(yùn)算放大器采用純雙極型工藝制作,，而新的設(shè)計(jì)技術(shù)則融入了其它幾種處理工藝，包括：CMOS,、BiCMOS或互補(bǔ)雙極型工藝(CB),。從成本考慮，CMOS處理工藝占據(jù)了運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)的主導(dǎo)地位,，隨著工藝的不斷改進(jìn),，CMOS技術(shù)對器件性能(噪聲等)的限制越來越少。當(dāng)然,，更高性能的器件需要采用多種處理工藝,。
為了滿足各種應(yīng)用的需求，集成電路制造商對標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器進(jìn)行了改進(jìn)?，F(xiàn)在,，設(shè)計(jì)人員不得不從種類繁多的運(yùn)算放大器中做出正確的選擇，例如：精密放大器,、儀表放大器,、電流檢測放大器、高速放大器,，甚至是音頻放大器,、視頻放大器等。對器件性能的改進(jìn)已經(jīng)成為面向應(yīng)用的規(guī)格優(yōu)化。
精密的運(yùn)算放大器通常不能提供寬帶特性,，但其失調(diào)電壓和失調(diào)電壓漂移非常小,，所保證的失調(diào)電壓通常能夠低至1µV。利用自動歸零和斬波穩(wěn)定技術(shù)在整個溫度范圍內(nèi)保持失調(diào)漂移最小,。斬波穩(wěn)定運(yùn)算放大器在信號通道包括一個“斬波”放大器,，可連續(xù)修正運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓,，從而在全溫范圍內(nèi)獲得出色的失調(diào)電壓指標(biāo),。
除了低失調(diào)電壓外，較低的電源電壓也使得滿擺幅或Beyond-the-Rails™輸入級以及滿擺幅輸出級電路更加重要,。滿擺幅輸入允許輸入電壓能夠達(dá)到負(fù)電源電壓至正電源電壓的范圍,，Beyond-the-Rails輸入則允許輸入電壓超出器件的供電電壓范圍。重要的是,，滿擺幅輸出允許獲得較大的輸出擺幅,，最大輸出電壓能夠達(dá)到與電源電壓相差幾個毫伏的水平，這一特性對于低壓供電下試圖獲得最大動態(tài)范圍的運(yùn)算放大器來說尤其重要,。對于1V甚至更低電壓供電的運(yùn)算放大器來說,，輸入共模電壓和輸出電壓范圍的一點(diǎn)點(diǎn)擴(kuò)展都非常關(guān)鍵。
高速信號處理技術(shù)的迅速發(fā)展需要單端輸入或差分輸入模式的精密,、高速運(yùn)算放大器,，許多新型高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)還需要關(guān)注低功耗、低電源電壓指標(biāo),。無論何種IC,，速度和功耗始終是一對兒矛盾、需要折中處理的指標(biāo),。高速運(yùn)算放大器可以使帶寬達(dá)到1GHz量級,，但是，低壓供電的器件卻很難達(dá)到這一指標(biāo),。按照當(dāng)前的技術(shù)水平,，3V供電時(shí)，可以輕松獲得數(shù)百兆赫茲的帶寬,，IC制造商仍在尋求打破這一極限的方法,。
音頻和視頻應(yīng)用對于運(yùn)算放大器也存在一些特殊要求。音頻放大器不同于傳統(tǒng)的精密放大器,，需要放大器在音頻頻率范圍內(nèi)提供出色的動態(tài)特性,。音頻放大器的一個發(fā)展趨勢是在內(nèi)部集成電荷泵，例如,，Maxim的DirectDrive™放大器,，從而在單電源供電時(shí)省去大尺寸的隔直流電容(一般采用大尺寸的電解電容)。利用 DirectDrive技術(shù)可以改善放大器的低頻響應(yīng)，甚至獲得很好的直流響應(yīng)特性,，降低低頻端的總諧波失真,。另外，DirectDrive技術(shù)還降低了系統(tǒng)成本和電路板尺寸,，這為便攜產(chǎn)品提供了一個極具競爭力的優(yōu)勢(圖2),。
圖 2. 單電源供電耳機(jī)放大器，內(nèi)置電荷泵省去了大尺寸隔直流電容,。
從發(fā)展方向看,，視頻放大器正在成為一種專用器件，以滿足各種視頻應(yīng)用的需求,。雖然目前還有一些工作在±5V的視頻放大器,，但絕大多數(shù)新型視頻放大器設(shè)計(jì)采用單電源供電，并且能夠驅(qū)動一個或兩個150Ω的負(fù)載,。隨著便攜式數(shù)字視頻產(chǎn)品市場的增長,，視頻放大器也開始向低電壓設(shè)計(jì)方向發(fā)展，例如,，3V供電,，這是IC設(shè)計(jì)者面臨的又一挑戰(zhàn)。除了低壓工作特性外,，許多視頻放大器內(nèi)部還集成了一個視頻重建濾波器,，用于抗混疊濾波或DAC輸出平滑濾波。為了省去外部偏置電路或鉗位電路,，有些視頻放大器還集成了黑電平或后肩鉗位電路,。有些視頻放大器為了提供負(fù)極性的同步脈沖，采用了音頻放大器的DirectDrive技術(shù),，不再需要外部偏置,。
結(jié)論
運(yùn)算放大器是模擬電路設(shè)計(jì)中的基本功能單元，因此,，它必須緊隨電子技術(shù)快速發(fā)展的步伐,。低功耗、小尺寸需求的普及加速了微功耗運(yùn)算放大器的發(fā)展進(jìn)程,，這種放大器已經(jīng)集成在肉眼幾乎看不清楚的UCSP封裝內(nèi),。隨著設(shè)計(jì)技術(shù)和處理工藝的改進(jìn)，集成廠商正在不斷開發(fā)滿足市場增長需求的運(yùn)算放大器,。