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运算放大器必知必会:基本特性与设计因素须知

作者:时间:2012-11-01来源:网络收藏
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。

  

(电子工程专辑)

  图5: 交替自稳零的原理示意图。

高电压

  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。

  

(电子工程专辑)

  图6: 解释高压运放结构差异的示意图。



关键词: 运算放大器
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