圣邦微電子(北京)有限公司 譚 磊

運(yùn)算放大器是典型的模擬集成電路?？梢哉f有了運(yùn)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(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)和開發(fā)不像其外特性那樣直觀明了，外特性差異細(xì)微的運(yùn)算放大器，其內(nèi)部差異之巨大也往往令人出乎意料。投入資源開發(fā)有細(xì)微差異的運(yùn)放是工程需求、工程需求背后的商業(yè)利益追求以及知識(shí)產(chǎn)權(quán)創(chuàng)新的需要，這從圣邦微電子公司近年開發(fā)的運(yùn)放產(chǎn)品中可以一窺端倪。

微功耗運(yùn)算放大器

大幅度地減少功耗對(duì)應(yīng)用設(shè)計(jì)帶來的影響不止是節(jié)能。如果平均功率從毫安量級(jí)下降到微安量級(jí)甚至微安以下，則供電方案可以有很大不同，使一些原本不方便、不能實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用得以實(shí)現(xiàn)。例如圖1所示的電源電路可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)以微功耗運(yùn)算放大器為檢測(cè)部分、配合儲(chǔ)能和間歇執(zhí)行部分的電路，利用單條電源線控制負(fù)載。一些電源開關(guān)盒中實(shí)際上只是一條線路，對(duì)這些開關(guān)升級(jí)（例如升級(jí)成遙控調(diào)光或者接近開關(guān)）時(shí)需要為控制電路供電。負(fù)載沒有接通時(shí)，只能通過微量電流供電。如果這個(gè)電流較大，則會(huì)導(dǎo)致負(fù)載部分啟動(dòng)或間歇啟動(dòng)，對(duì)于輕負(fù)載（例如3～5 W發(fā)光二極管燈）尤為顯著。實(shí)際應(yīng)用中利用SGM8041的微功耗特性解決了這一問題。

圖1所示的電路設(shè)計(jì)工作在交流電的電壓范圍內(nèi)，但其元件中只有電阻R(以及執(zhí)行部件和電流互感器T的原副邊之間)承受較高電壓，其余元件耐壓均以齊納管的擊穿電壓為參考。當(dāng)功率負(fù)載較大時(shí)，電流互感器T用于在接通期間給控制電路供電；如果負(fù)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(chǎn)品已很普及，如常用的TLC27L和MCP6041；后者靜態(tài)電流僅600 nA。SGM8141/2為更極端的微功耗運(yùn)算器產(chǎn)品，其靜態(tài)電流僅為350 nA，失調(diào)電壓則控制在最大不超過2.5 mV。利用SGM8141/2可以在系統(tǒng)深度休眠時(shí)提供連續(xù)參數(shù)監(jiān)測(cè)，用于喚醒或者異常觸發(fā)，也用于信號(hào)自供電或利用能量收集(例如震動(dòng)、熱和光)的設(shè)計(jì)中。

微功耗運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)在于如何利用盡可能少的電路實(shí)現(xiàn)在全輸入范圍內(nèi)保持小而穩(wěn)定的失調(diào)電壓。微功耗運(yùn)放無法利用復(fù)雜電路對(duì)溫度變化進(jìn)行補(bǔ)償以及嚴(yán)格根據(jù)共模鎖定輸入節(jié)的偏置，失調(diào)補(bǔ)償依賴于參數(shù)補(bǔ)償設(shè)計(jì)和精細(xì)的版圖設(shè)計(jì)。圖2是圣邦微功耗運(yùn)放產(chǎn)品的失調(diào)電壓分布統(tǒng)計(jì)。

圖2 圣邦微功耗運(yùn)放的失調(diào)電壓分布

高精度運(yùn)算放大器

從本征特性看，CMOSFET的穩(wěn)定性和噪聲特性(尤其是1/f噪聲)，以及響應(yīng)速度均不及雙極型晶體管，但其高輸入阻抗、低偏置電流、低耗電和結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)勢(shì)令雙極型器件難以企及。CMOS產(chǎn)品出現(xiàn)以來，改善其噪聲、穩(wěn)定性和速度的努力從來沒有中斷過。除了少數(shù)特別的應(yīng)用場(chǎng)合，CMOS運(yùn)放已取代了雙極型運(yùn)放成為主流。例如SGM8551系列高精度運(yùn)放可保證小于20μV的失調(diào)電壓和小于20 nV的溫漂，各方面都超過了傳統(tǒng)的高精度運(yùn)放(如OP07以及同類的LMV2011)。SGM8551已成功用于6位半精度的過程校驗(yàn)儀表。

高精度運(yùn)算放大器對(duì)應(yīng)用工程的意義無需贅敘，其對(duì)設(shè)計(jì)工程的挑戰(zhàn)則比較特別。高精度運(yùn)放設(shè)計(jì)是專利集中的領(lǐng)域，很多電路方案和布線方案受到保護(hù)；新設(shè)計(jì)要在保護(hù)和利用的原則下創(chuàng)新。圣邦的高精度運(yùn)放產(chǎn)品設(shè)計(jì)是業(yè)內(nèi)最新數(shù)據(jù)模型和部分創(chuàng)新的結(jié)合。

與在高精度測(cè)量放大系統(tǒng)中方案靈活多變（例如相關(guān)雙采樣方案、斬波調(diào)制放大方案和斬波跟蹤方案等）不同，高精度運(yùn)算放大器的實(shí)現(xiàn)方案局限于精密跟蹤補(bǔ)償和交替自穩(wěn)零兩類基礎(chǔ)方案。

如圖3，交替自穩(wěn)零方案的原理與斬波跟蹤放大器類似。信號(hào)通道上的第一級(jí)被分為幾何分布完全一致的兩組。除了切換瞬間，總有一組在通過信號(hào)，保證了信號(hào)是被近似連續(xù)傳送和放大的；自穩(wěn)零校準(zhǔn)則是交替進(jìn)行的。不在傳遞信號(hào)的一組的失調(diào)被饋入調(diào)零通道，調(diào)節(jié)偏置使失調(diào)為零。

高電壓運(yùn)算放大器

在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)或者類似的惡劣條件場(chǎng)合，采用可直接工作在較高電壓的運(yùn)放有利于提高可用率和執(zhí)行力。只是提高工作電壓對(duì)設(shè)計(jì)容限的改進(jìn)是有限的。事實(shí)上大多數(shù)早期的雙極型運(yùn)放可工作在較高電壓下，但不能在低電壓下工作?，F(xiàn)代意義下的高壓運(yùn)放需要高適應(yīng)性，包括大動(dòng)態(tài)工作電壓范圍、滿幅輸入/輸出、抗高共模/差模和具備短期過壓寬限。以SGM8291為例，其工作電壓范圍是4.5 V～36 V，共模和差模輸入均允許到電源電壓，電源短期過壓可超過40 V。

現(xiàn)代意義下的高壓運(yùn)放是一個(gè)較新的運(yùn)放品種，例如TI也只是在近期才開始推廣其OPA171系列的高壓運(yùn)放。這些高壓運(yùn)放都具有大動(dòng)態(tài)、低電流的特點(diǎn)，以JFET或CMOS作為輸入，普遍采用BCD混合結(jié)構(gòu)，其特性優(yōu)勢(shì)是雙極型高壓運(yùn)放無法類比的。高壓運(yùn)放的結(jié)構(gòu)與低壓運(yùn)放的結(jié)構(gòu)不同，如輸入節(jié)要在大得多的共模電壓范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的失調(diào)電壓，輸出節(jié)要承受大的柵-漏(或基-集)電壓。SGM8291在全電壓范圍內(nèi)失調(diào)不超過0.9 mV并允許輸出長(zhǎng)期短路。

開發(fā)高壓運(yùn)放以完善工業(yè)產(chǎn)品鏈的社會(huì)意義大于開發(fā)者的直接經(jīng)濟(jì)意義。盡管高壓運(yùn)放對(duì)工業(yè)應(yīng)用來講是不可或缺的，但實(shí)際上，其應(yīng)用空間被低壓結(jié)構(gòu)系統(tǒng)不斷擠占。其一是因?yàn)樵诖蠖嘞到y(tǒng)中信號(hào)最終被饋送到或者最初來自低壓的數(shù)字處理電路，低壓系統(tǒng)已具備系統(tǒng)級(jí)高設(shè)計(jì)容限；其二是外圍電路改進(jìn)可利用低壓電路取得類似高壓器件的容限，分享低壓元件選擇性大、供應(yīng)量好和價(jià)格低的紅利。但是有些應(yīng)用場(chǎng)景注定需要高壓運(yùn)放。圖4示意了在輸入側(cè)和輸出側(cè)適合使用高壓運(yùn)放的若干情況。

半導(dǎo)體集成運(yùn)算放大器從上世紀(jì)60年代開發(fā)面市，歷經(jīng)半百滄桑到今天，依然還不斷有新的產(chǎn)品推出，見證了人類對(duì)自然深入探究和提升自我的不斷追求。近些年國(guó)內(nèi)出現(xiàn)了若干家像圣邦一樣以模擬集成電路開發(fā)推廣為主要業(yè)務(wù)的新半導(dǎo)體公司，對(duì)拓展應(yīng)用和推動(dòng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)做出了貢獻(xiàn)。本文介紹的圣邦公司產(chǎn)品的特性均可與已知高性能產(chǎn)品的規(guī)格齊平。在成熟的應(yīng)用中，包括運(yùn)放在內(nèi)的模擬電路被越來越多地集成到了單片系統(tǒng)中，同時(shí)隨著認(rèn)識(shí)的深入和處理能力的提高，也不斷有新的要求需要新的產(chǎn)品來滿足。