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)
關鍵字：模擬電路設計、工業應用、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，而信號的質量和完整性不斷提高。這種情況下，服務于一些應用（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。簡單的軌至軌運算放大器 (op amp) 必須具有一個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展趨勢便以單差動輸入級開始，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差動輸入級（互補輸入級），它們在整個放大器軌至軌共模范圍共享軌至軌輸入運算（有一些失真）（請參見參考文獻 1）。這些解決方案中，沒有一個能夠產生一種滿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來解決這個問題。現在，再平常不過的充電泵用來將放大器的一個單差動輸入級推至正電源以上（請參見圖1）。放大器設計人員將開關機制頻率置于放大器帶寬之上，并讓開關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，帶充電泵的單差動輸入級給您帶來了什么呢？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，如果您使用一個輸入級中具有充電泵的放大器來驅動高精度 SAR 或 轉換器，您會發現您的系統性能提高了。

例如，由一個緩沖結構運算放大器驅動的 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品說明書的 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。或者，如果運算放大器的輸入級有一個 0.0004% (VIN=4 VpCp) THD 規范的充電泵（請參見圖 1），則系統 THD 變為 C98 dB。

單電源放大器始終緊跟高精度轉換器的發展。這是通過設計許多創新放大器電路拓撲（例如：帶充電泵的輸入級）來實現的。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，創新模擬電路設計人員終究會有一個美好的未來！