运算放大器的发展体现了电子技术的进步

摘要：运算放大器是模拟电路设计中的基本功能单元，小尺寸、高性能始终是设计人员的追求目标。本应用笔记重点介绍了运算放大器的发展方向以及设计中的折中考虑。

引言

不断增长的电子元器件市场始终保持着对高性能运算放大器的巨大需求。宽带、低功耗、高精度只是新产品要求的几个关键参数。虽然这些参数已经得到的不断地提高，但对设计人员来说，理想的运算放大器依然是一个“神话”，在运算放大器设计中仍然需要做出各种折中选择。值得庆幸的是，大多数设计会非常重视放大器的某一个参数，这样，通过牺牲其它参数指标可以得到满足最终要求设计方案。由此可见，我们的设计目标并非创建一个理想的运算放大器，而是为具体应用创建一个最佳的运算放大器。

针对具体应用优化运算放大器设计

电池供电产品的发展需要功耗更低的运算放大器，便携产品中的运算放大器通常工作在较低的单电源电压 (正电压)下，消耗极低的电源电流，这无疑是设计人员所面临的一个巨大难题，因为这些设计在要求低功耗的同时，还需要工作在较高频率或要求低噪声。

另外，便携产品设计对电路板尺寸要求非常苛刻，因此，小的封装尺寸是另外一个关键指标。传统设计中比较普遍的小外形(SO)表面贴封装相对于一些新型封装，如SOT23、SC70或晶片级封装，如UCSP (图1所示)，已经不是真正意义上的“小尺寸”。新推出的小型封装减小了寄生电感和寄生电容，因而改善了电路的交流特性，但由于应用场合对硅片尺寸的苛刻要求，这种封装器件的失调电压会增大。所幸借助成熟的IC设计可以在一定程度上降低失调电压。


图1. MAX4292双路、精密运算放大器，采用微小的晶片级(UCSP)封装。

半导体处理工艺的进步有助于开发更高性能、更低成本的运算放大器。传统的运算放大器采用纯双极型工艺制作，而新的设计技术则融入了其它几种处理工艺，包括：CMOS、BiCMOS或互补双极型工艺(CB)。从成本考虑，CMOS处理工艺占据了运算放大器设计的主导地位，随着工艺的不断改进，CMOS技术对器件性能(噪声等)的限制越来越少。当然，更高性能的器件需要采用多种处理工艺。

为了满足各种应用的需求，集成电路制造商对标准运算放大器进行了改进。现在，设计人员不得不从种类繁多的运算放大器中做出正确的选择，例如：精密放大器、仪表放大器、电流检测放大器、高速放大器，甚至是音频放大器、视频放大器等。对器件性能的改进已经成为面向应用的规格优化。

精密的运算放大器通常不能提供宽带特性，但其失调电压和失调电压漂移非常小，所保证的失调电压通常能够低至1µV。利用自动归零和斩波稳定技术在整个温度范围内保持失调漂移最小。斩波稳定运算放大器在信号通道包括一个“斩波”放大器，可连续修正运算放大器的失调电压，从而在全温范围内获得出色的失调电压指标。

除了低失调电压外，较低的电源电压也使得满摆幅或Beyond-the-Rails™输入级以及满摆幅输出级电路更加重要。满摆幅输入允许输入电压能够达到负电源电压至正电源电压的范围，Beyond-the-Rails输入则允许输入电压超出器件的供电电压范围。重要的是，满摆幅输出允许获得较大的输出摆幅，最大输出电压能够达到与电源电压相差几个毫伏的水平，这一特性对于低压供电下试图获得最大动态范围的运算放大器来说尤其重要。对于1V甚至更低电压供电的运算放大器来说，输入共模电压和输出电压范围的一点点扩展都非常关键。

高速信号处理技术的迅速发展需要单端输入或差分输入模式的精密、高速运算放大器，许多新型高速数据转换器设计还需要关注低功耗、低电源电压指标。无论何种IC，速度和功耗始终是一对儿矛盾、需要折中处理的指标。高速运算放大器可以使带宽达到1GHz量级，但是，低压供电的器件却很难达到这一指标。按照当前的技术水平，3V供电时，可以轻松获得数百兆赫兹的带宽，IC制造商仍在寻求打破这一极限的方法。

音频和视频应用对于运算放大器也存在一些特殊要求。音频放大器不同于传统的精密放大器，需要放大器在音频频率范围内提供出色的动态特性。音频放大器的一个发展趋势是在内部集成电荷泵，例如，Maxim的DirectDrive™放大器，从而在单电源供电时省去大尺寸的隔直流电容(一般采用大尺寸的电解电容)。利用 DirectDrive技术可以改善放大器的低频响应，甚至获得很好的直流响应特性，降低低频端的总谐波失真。另外，DirectDrive技术还降低了系统成本和电路板尺寸，这为便携产品提供了一个极具竞争力的优势(图2)。


图 2. 单电源供电耳机放大器，内置电荷泵省去了大尺寸隔直流电容。

从发展方向看，视频放大器正在成为一种专用器件，以满足各种视频应用的需求。虽然目前还有一些工作在±5V的视频放大器，但绝大多数新型视频放大器设计采用单电源供电，并且能够驱动一个或两个150Ω的负载。随着便携式数字视频产品市场的增长，视频放大器也开始向低电压设计方向发展，例如，3V供电，这是IC设计者面临的又一挑战。除了低压工作特性外，许多视频放大器内部还集成了一个视频重建滤波器，用于抗混叠滤波或DAC输出平滑滤波。为了省去外部偏置电路或钳位电路，有些视频放大器还集成了黑电平或后肩钳位电路。有些视频放大器为了提供负极性的同步脉冲，采用了音频放大器的DirectDrive技术，不再需要外部偏置。

结论

运算放大器是模拟电路设计中的基本功能单元，因此，它必须紧随电子技术快速发展的步伐。低功耗、小尺寸需求的普及加速了微功耗运算放大器的发展进程，这种放大器已经集成在肉眼几乎看不清楚的UCSP封装内。随着设计技术和处理工艺的改进，集成厂商正在不断开发满足市场增长需求的运算放大器。