關鍵運算放大器基本特性與設計考量

　　比較器是常態處于類飽和態的模擬集成電路，僅在比較閾值附近一個微小的區間表現為線性。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。現實中不乏把放大器當作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。比較器無論是參數優化還是實際結構實現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；觸發翻轉后的上升或者下降沿不受前級的爬升率的影響。

　　傳統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、精確幅度甄別和抑制在甄別閾值附近的不定狀態輸出等。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。

　　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。如圖3所示，SGM8701系列微功耗的工作電流穩定在300nA附近的極低水平。

　　圖3： SGM8701 系列比較器工作電流。

　　極低功耗比較器可以用于需要潛伏或深度睡眠狀態的應用，例如在待機期間持續監測電池電壓和連續監視等待喚醒呼叫等。

　　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、易實現滿幅輸出和不需要區別單雙電源設計等突出優點，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。

　　圖4： 引起交越失真的互補雙差分對輸入結構。

　　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，或產生虛假微擾動。SGM8942成功地應用于微弧檢測、瞬時功率因數測量和電化學擴散電勢檢測等對微擾敏感的應用中。