接近理想的运算放大器

运算放大器的用途广泛，因为其使用规则既简单又不多。例如，同相增益VOUT = VIN x(1+Rf/Ri)，大约是在模拟领域中能找到的最简单指导性准则了。不过，这个等式之所以简单，是因为我们做出了一些假设，其中包括： 　　
* 输入阻抗无穷大，输入电流为零；
* 失调电压为零；
* 噪声电压为零，噪声电流为零。
　　
在有些应用中，这些不可实现的假设条件引起的误差是微不足道的。然而，业界需要越来越高的精确度，很多应用要求放大器越来越逼近这些理想状况。例如，高阻抗传感器和光电二极管放大器对噪声和输入偏置电流非常敏感。低功率电流检测电路则会受益于超低失调电压和轨至轨电压的工作。
　　
尽管理想运算放大器按照定义是不可实现的，但是这种放大器却为模拟设计师们提供了一套完整的目标规范。由于每种应用都需要不同的规范组合，因此运算放大器的种类不断增多，以满足这些需求。这些运算放大器产品凭借新颖的技术越来越接近理想状况，在以更低电压和更低电流消耗工作时实现了卓越的性能。凌特公司最近推出的 3 种放大器就反映了上述趋势。
　　
低电流和低电压工作
　　
对电池供电的应用而言，尺寸和功耗是人们关注的主要问题。对便携式仪表内精确应用来说，低输入失调电压和低偏压漂移也很重要。在这些应用情况下，凌力尔特公司 LT6003(单路)、LT6004(双路)和 LT6005(4 路)微功率运算放大器提供了更好的选择。这个系列的放大器用 1.6V 至 16V 的电源工作，在 25℃时最大电源电流仅为 1mA，而在 -40℃至 +85℃的整个工业温度范围内最大值仅为 1.6uA。宽电源电压范围使 LT6003 系列甚至在两节 AA 电池的未稳压电源下都可以很好地工作。采用 2mm x 2mm DFN 封装的 LT6003 单路运算放大器尺寸是最小的，具有 290mV 的典型失调电压和 2uV/℃的极佳漂移性能。

图 1  LT6003 系列在压力最大的条件下加电排序时表现良好

　　
很多轨至轨运算放大器都面临一个难题：输出接近两个轨电压时，电源电流可能上升高达 3 倍，而这种情况会在启动时发生。如果设计师不考虑这种常常未明确规定的情况，那么很多微功率放大器需要的电流就可能超过电源所能提供的电流，从而妨碍成功的加电排序。LT6003 系列采用了特殊的设计技术，以便在实现真正微功率工作的整个工作范围内良好的运作。图 1 显示了 LT6003 在对微功率运算放大器而言最坏加电条件下的表现。
　　
CMOS 运算放大器的低偏置电流
　　
就精确放大器而言，人们长久以来一直首选双极型工艺而不是 CMOS，因为双极型工艺的固有噪声较低。不过，CMOS 工艺有吸引力的地方是固有的较低输入偏置电流(IB)。这是因为双极型晶体管是电流控制器件，而 MOS 晶体管是电压控制器件。在具有高阻抗信号源的应用中，IB 可能是信号链中最大的单个误差源，因此偏置电流是非常重要的。
　　
低噪声和低输入偏置电流
　　
为了克服与 CMOS 工艺有关的较高的低频噪声，可以增大晶体管面积。但是增大面积也就增大了栅极电容，从而导致 CMOS 运算放大器输入电容增加。在较高频率时，非零输入电容引起输入阻抗下降。运算放大器的噪声增益由 Vout="Vnoise"×(1+Zf/Zi) 决定，其中 Zi 包括放大器的输入阻抗以及分立输入电阻。大输入电阻的放大器也许具有低噪声，但是大输入电容在较高频率时导致高噪声。我们只能在 1/f 噪声的降低和输出端宽带噪声的增加之间做出权衡。

图 2  输入电容消除技术能够实现低的输入噪声并保持低的高频噪声

　　
LTC6240/1/2 (单路/双路/四路)具有非常大的输入电阻，可将 1/f 噪声降至仅为 550nVp-p，这一数字比得上良好的低噪声双极型放大器。人们可能会想，这么大的输入结构会产生大的输入电容，但是 LTC6240 系列采用了创新性的电容消除技术，从而使总的输入电容仅为 3.5pF，这一数字仅为同类 CMOS 运算放大器的 1/3。图 2 对这种设计方法和没有采用电容消除电路的竞争对手的低噪声 CMOS 运算放大器进行了比较，说明了这种设计方法的优点。LTC6241 卓越的性能、比得上良好双极型放大器的噪声、以及 1pA 偏置电流，极大地提高了低噪声、光电二极管放大器和高阻抗传感器应用的性能。
　　
随着 LTC6244 的推出，凌力尔特公司低噪声 CMOS 放大器系列扩展了高频应用领域。这种50MHz放大器保持 5.6pF 的总输入电容，以实现低噪声增益，以及卓越的 DC 输入性能。在很多宽带传感器调理应用中，这样的性能是非常重要的。音纳接收器、线性可变差分变压器(LVDT) 等高阻抗传感器需要低输入偏置电流和低噪声。

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