運算放大器必知必會:基本特性與設計因素須知

運算放大器是典型的模擬集成電路。可以說有了運算放大器才算有了模擬集成電路、其歷史也就是模擬集成電路的歷史。運算放大器的設計開發不像其外特性那樣直觀明了;外特性有細微差異的運算放大器內部差異之巨大也往往出乎意料之外;投入資源開發有細微差異的運放是工程需求、工程需求背后的商業利益追求、以及知識產權創新的需要。這從圣邦微電子公司近年開發的運放產品中可以一窺端倪。

　　微功耗運算放大器

　　大幅度地減少功耗對應用設計帶來的影響不止是節能。如果平均功率需要從mA量級下降到了μA量級甚至μA以下，則供電方案可以有很大不同，使一些原本不方便、不能實現的應用得以實現。例如圖1所示的電源電路可以驅動一個以微功耗運算放大器為檢測部分、配合儲能和間歇執行部分的電路，利用單條電源線的控制負載。一些電源開關盒中實際上只是一條線路，對這些開關升級，例如升級成遙控調光或者接近開關時需要為控制電路供電。負載沒有接通時，通過允許流過微量電流供電。如果這個電流較大，會導致負載部分啟動或間歇啟動;對于輕負載，例如3~5W發光二極管燈尤為顯著。實際工程案例利用SGM8041的微功耗特性解決了這一問題。

　　圖1: 利用微功耗運放改變供電電路。

　　圖1所示的電路設計工作在交流電的電壓范圍內，但其元件中只有R(以及執行部件和電流互感器T的原副邊之間)承受較高電壓，其余元件耐壓均以參考齊納管的擊穿電壓為參考。電流互感器T用于在較大功率負載的應用，在接通期間給控制電路供電;如果負載較小，接通期間也可以通過延遲開啟角度取得一定的電壓差給控制電路供電。

　　低功耗產品已很普及，如常用的TLC27L和MCP6041;后者靜態電流僅600nA。SGM8141/2為更為極端的微功耗運算器產品，其靜態電流僅為350nA，Voffset則控制在最大不超過2.5mV。利用SGM8141/2可以在系統深度休眠時提供連續參數監測，用于喚醒或者異常觸發。也用于信號自供電或利用能量收集(例如震動、熱和光)的設計中。

　　微功耗運算放大器設計的挑戰在于，如何利用盡可能少的電路實現在全輸入范圍內保持小而穩定的失調電壓。微功耗運放無法利用復雜電路對溫度變化補償和嚴格根據共模鎖定輸入節的偏置，失調補償依賴于參數補償設計和精細的版圖設計。圖2是圣邦微功耗運放產品的失調電壓分布統計。

　　圖2: 圣邦微功耗運放的失調電壓分布。

　　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。