關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勢雙極型器件難以企及。CMOS產品出現以來，改善其噪聲、穩定性和速度的努力從來沒有中斷過。除了少數特別的應用場合，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，各方面都超過了傳統的高精度運放，例如OP07，以及同類的LMV2011。SGM8551已成功用于6位半精度的過程校驗儀表。

　　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利集中的領域，很多電路方案和布線方案受到保護；新設計要在保護和利用的原則下創新。圣邦的高精度運放產品設計是業內最新數據模型和部分創新的結合。

　　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現方案局限于精密跟蹤補償和交替自穩零兩類基礎方案。

　　參考圖5，交替自穩零方案的原理與斬波跟蹤放大器類似。信號通道上的第一級被分為兩個幾何分布完全一致的兩組；除了切換瞬間，總有一組在通過信號，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

　　在工業現場或者類似惡劣條件的場合，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是有限的；事實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。現代意義下的高壓運放需要高適應性，包括大動態工作電壓范圍，滿幅輸入/輸出，抗高共模/差模和具備短期過壓寬限。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，電源短期過壓可超過40V。

　　現代意義下的高壓運放是一個較新的運放品種，例如TI也只是在近期開始推廣其OPA171系列的高壓運放。這些高壓運放全部具有大動態、低電流的特點，以JFET或CMOS作為輸入，普遍采用BCD混合結構；其特性優勢是雙極型高壓運放無法抗類比的。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0.9mV并允許輸出長期短路。

　　圖6用來解釋如何實現這些特性所需要的結構差異的一個示意方案（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。

　　開發高壓運放、完善工業產品鏈的社會意義大于開發者的直接經濟意義。盡管高壓運放對工業應用來講是不可或缺的，但實際上，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可利用低壓電路取得類似高壓器件的容限，分享低壓元件選擇性大、供應量好和價格低的紅利。但是有些應用場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年代開發面市，歷經半百滄桑到今天還能見到不斷有新的產品推出，見證了人類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發推廣為主要業務的新半導體公司，對拓展應用和推動市場競爭做出貢獻；本文介紹的圣邦公司產品的特性均可與已知高性能產品的規格齊平。在成熟的應用中，包括運放在內模擬電路被越來越多地集成到了單片系統中，同時隨著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品來滿足。