几类关键运算放大器的基本特性与设计考虑要素

高精度运算放大器

从本征特性看，CMOSFET的稳定性和噪声特性，尤其是1/f噪声，以及响应速度均不及双极型晶体管；但其高输入阻抗、低偏置电流、低耗电和结构紧凑等优势双极型器件难以企及。CMOS产品出现以来，改善其噪声、稳定性和速度的努力从来没有中断过。除了少数特别的应用场合，CMOS运放已取代了双极型运放成为主力。例如SGM8551系列高精度运放可保证小于20μV的失调电压和小于20nV/°的温漂，各方面都超过了传统的高精度运放，例如OP07，以及同类的LMV2011。SGM8551已成功用于6位半精度的过程校验仪表。

高精度运算放大器的对应用工程意义明了、毋庸赘叙，其设计工程的挑战则比较特别；高精度运放设计是专利集中的领域，很多电路方案和布线方案受到保护；新设计要在保护和利用的原则下创新。圣邦的高精度运放产品设计是业内最新数据模型和部分创新的结合。

与在高精度测量放大系统中方案灵活多变不同，例如相关双采样方案、斩波调制放大方案和斩波跟踪方案等等，高精度运算放大器的实现方案局限于精密跟踪补偿和交替自稳零两类基础方案。

参考图5，交替自稳零方案的原理与斩波跟踪放大器类似。信号通道上的第一级被分为两个几何分布完全一致的两组；除了切换瞬间，总有一组在通过信号，保证了信号是被近似连续传送和放大的；自稳零校准则是交替进行的。不在传递信号的一组的失调被馈入调零通道，调节偏置使失调为零。


图5: 交替自稳零的原理示意图。

高电压运算放大器

在工业现场或者类似恶劣条件的场合，采用可直接工作在较高电压的运放有利于提高可用率和执行力。只是提高工作电压对设计容限的改进是有限的；事实上大多数早期的双极型运放可工作在较高电压下，但不能在低电压下工作。现代意义下的高压运放需要高适应性，包括大动态工作电压范围，满幅输入/输出，抗高共模/差模和具备短期过压宽限。以SGM8291为例，其工作电压范围是4.5V~36V，共模和差模均输入允许到电源电压，电源短期过压可超过40V。

现代意义下的高压运放是一个较新的运放品种，例如TI也只是在近期开始推广其OPA171系列的高压运放。这些高压运放全部具有大动态、低电流的特点，以JFET或CMOS作为输入，普遍采用BCD混合结构；其特性优势是双极型高压运放无法抗类比的。高压运放的结构与低压运放的结构不同，如输入节要在大得多的共模电压范围内保持稳定的失调电压，输出节要承受大的栅-漏(或基-集)电压。SGM8291在全电压范围内失调不超过0.9mV并允许输出长期短路。

图6用来解释如何实现这些特性所需要的结构差异的一个示意方案(此示意图并不暗示圣邦使用了这一结构)。其中CC1~CC3恒流源需要利用双极型的本征恒流特性稳定输入差分对的偏置；A采用CMOS取得高增益；T1、T2采用DMOS实现高耐压。低压运放不需要这些组合。


图6: 解释高压运放结构差异的示意图。

开发高压运放、完善工业产品链的社会意义大于开发者的直接经济意义。尽管高压运放对工业应用来讲是不可或缺的，但实际上，其应用空间被低压结构系统不断挤占。其一是因为在大多系统中信号最终被馈送到或者最初来自低压的数字处理电路，低压系统已具备系统级高设计容限；其二是外围电路改进可利用低压电路取得类似高压器件的容限，分享低压元件选择性大、供应量好和价格低的红利。但是有些应用场景注定需要高压运放，图7示意了在输入侧和输出侧适合使用高压运放的若干情况。


图7: 若干需要高压运放的情况。

本文小结

半导体集成运算放大器从60年代开发面市，历经半百沧桑到今天还能见到不断有新的产品推出，见证了人类对自然深入探究和提升自我的不断追求。近些年国内出现了若干家像圣邦一样以模拟集成电路开发推广为主要业务的新半导体公司，对拓展应用和推动市场竞争做出贡献；本文介绍的圣邦公司产品的特性均可与已知高性能产品的规格齐平。在成熟的应用中，包括运放在内模拟电路被越来越多地集成到了单片系统中，同时随着认识的深入和处理能力的加强、也不断有新的要求需要新的产品来满足。