运算放大器必知必会:基本特性与设计因素须知

运算放大器是典型的模拟集成电路。可以说有了运算放大器才算有了模拟集成电路、其历史也就是模拟集成电路的历史。运算放大器的设计开发不像其外特性那样直观明了;外特性有细微差异的运算放大器内部差异之巨大也往往出乎意料之外;投入资源开发有细微差异的运放是工程需求、工程需求背后的商业利益追求、以及知识产权创新的需要。这从圣邦微电子公司近年开发的运放产品中可以一窥端倪。

　　微功耗运算放大器

　　大幅度地减少功耗对应用设计带来的影响不止是节能。如果平均功率需要从mA量级下降到了μA量级甚至μA以下，则供电方案可以有很大不同，使一些原本不方便、不能实现的应用得以实现。例如图1所示的电源电路可以驱动一个以微功耗运算放大器为检测部分、配合储能和间歇执行部分的电路，利用单条电源线的控制负载。一些电源开关盒中实际上只是一条线路，对这些开关升级，例如升级成遥控调光或者接近开关时需要为控制电路供电。负载没有接通时，通过允许流过微量电流供电。如果这个电流较大，会导致负载部分启动或间歇启动;对于轻负载，例如3~5W发光二极管灯尤为显著。实际工程案例利用SGM8041的微功耗特性解决了这一问题。

　　图1: 利用微功耗运放改变供电电路。

　　图1所示的电路设计工作在交流电的电压范围内，但其元件中只有R(以及执行部件和电流互感器T的原副边之间)承受较高电压，其余元件耐压均以参考齐纳管的击穿电压为参考。电流互感器T用于在较大功率负载的应用，在接通期间给控制电路供电;如果负载较小，接通期间也可以通过延迟开启角度取得一定的电压差给控制电路供电。

　　低功耗产品已很普及，如常用的TLC27L和MCP6041;后者静态电流仅600nA。SGM8141/2为更为极端的微功耗运算器产品，其静态电流仅为350nA，Voffset则控制在最大不超过2.5mV。利用SGM8141/2可以在系统深度休眠时提供连续参数监测，用于唤醒或者异常触发。也用于信号自供电或利用能量收集(例如震动、热和光)的设计中。

　　微功耗运算放大器设计的挑战在于，如何利用尽可能少的电路实现在全输入范围内保持小而稳定的失调电压。微功耗运放无法利用复杂电路对温度变化补偿和严格根据共模锁定输入节的偏置，失调补偿依赖于参数补偿设计和精细的版图设计。图2是圣邦微功耗运放产品的失调电压分布统计。

　　图2: 圣邦微功耗运放的失调电压分布。

　　比较器是常态处于类饱和态的模拟集成电路，仅在比较阈值附近一个微小的区间表现为线性。无论在高速场合还是低速场合，对比较器的需要常被忽视和误解。现实中不乏把放大器当作比较器使用的成功工程案例，真实地反映了对比较器的需求的变化。比较器无论是参数优化还是实际结构实现都跟运算放大器不同;比较器在输出翻转前或者后的传输增益要小，以防止自激;触发翻转后的上升或者下降沿不受前级的爬升率的影响。

　　传统工程上对比较器的需要大都被取代或者弱化，如快速渡过逻辑器件的逻辑模糊区、精确幅度甄别和抑制在甄别阈值附近的不定状态输出等。主要因为ADC的普及使用和逻辑I/O的设计改进;无论是在逻辑I/O电路中还是利用运放的轻度正反馈滞回，都可以有效避免逻辑不确定性，而定时抖动特性一直不是比较器的强项。

　　圣邦的设计改进重点在于减少比较器的耗电。微功耗运放用作比较器时在饱和状态工作电流有所增加，退出饱和需要较长时间，比较器则没有这些问题。如图3所示，SGM8701系列微功耗的工作电流稳定在300nA附近的极低水平。

　　图3: SGM8701 系列比较器工作电流。

　　极低功耗比较器可以用于需要潜伏或深度睡眠状态的应用，例如在待机期间持续监测电池电压和连续监视等待唤醒呼叫等。

无交越失真运算放大器

　　与BTL和C类放大器的交越失真概念不同，无交越失真运放是相对于有输入结构相关交越失真的满幅输入CMOS运放提出的。CMOS运算放大器具有输入阻抗高、工作电流低、易实现满幅输出和不需要区别单双电源设计等突出优点，但是其输入部分栅极与源极之间需要较大压差，共模输入电压范围小，限制了低工作电压使用。如图4所示的互补双差分对结构被用于CMOS运放以允许满幅输入。这种互补双差分对结构保证无论共模电压是接近正电源，还是接近负电源，至少有一个差分对可以工作。工程现实无法保证这两个差分对有完全一致的失调电压。输入共模电压变化使互补双差分对交替工作引起输入相关交越失真。

　　图4: 引起交越失真的互补双差分对输入结构。

与输出图腾柱结构的输出交替引起的交越失真不同，输入相关的交越失真无法通过提高开环增益予以改善。SGM8942通过对输入部分偏置结构的改变避免了使用双