如何确保系统设计受欢迎

        每当系统设计工程师进行产品的设计时，都必须在速度、功耗、噪声及封装大小等方面作出取舍以取得平衡。

        对他们来说，现实是残酷的；每当要构思新的设计时，他们常常要在两个同等重要的参数之间进行取舍。以可携式电子产品而言，系统设计工程师还得面对成本压力；因为只有将产品价格尽量降低，才可借着价格优势，抢占更大的市场。

        工艺技术

        对设计集成电路的工程师来说，只要拥有合适的工具，完成创新巧妙的电路设计并不是件艰难的任务。换言之，工程师仅有才华并不足够，他们尚需倚赖先进的工艺技术，才能解决无法预见的棘手问题。

       美国国家半导体率先开发的VIP50 BiCMOS 工艺技术最适合于生产低功率芯片，这方面的优势非其它工艺所能代替。这种工艺技术的面世不仅是可携式电子产品发展史上的一个里程碑，同时也代表了整个电子产业进入新世代。利用VIP50工艺技术生产的集成电路，不仅可以确保直流电作业时的准确性，而且还有超高准确度、极低功耗、更高速度及较低噪声等优点。5V 的LMV651 BiCMOS 放大器便是利用这种工艺技术生产的其中一款产品，其效能之卓越简直令人难以置信。

       可满足不同应用的不同要求

       由于LMV651芯片具有高精度、高速、低功耗、低噪声以及广阔动态范围等优点，因此可以支持多种不同的应用，并确保不同系统都能充分发挥其效能。以低电压系统为例来说，放大器芯片除了必须符合低功耗的要求之外，还必须确保以低供电电压作业时只会产生极轻微的压降。此外，LMV651芯片内建电压摆幅极小的输出级，若以3V电压驱动10kΩ，其电压摆幅约3V电压减去50mV，若驱动2kΩ的负载，电压摆幅大约只有3V电压减去80mV。由于这款芯片的动态范围如此广阔，因此最适用于低电压的系统。

        此外，LMV651芯片若以交流电作业，其表现也非常优异。这款芯片的电源供应抑制率(PSRR)高达95dB，可以确保可携式电子产品不会轻易受干扰而使电压下降，以致放大器的输入端出现错误，因此最适用于以电池供电的可携式电子产品。

        此外，LMV651芯片的共模抑制率(CMRR)高达100dB，只要将这款芯片搭配另外两颗放大器，便可组建内含3颗运算放大器的测量仪表。这是一个低功率及低成本的离散式解决方案。

        噪声较低、封装小巧

        从目前趋势来看，外型轻巧纤薄的可携式电子产品愈来愈受消费者的欢迎，LMV651芯片采用超小型的SC70封装，输入偏移电压只有100μV，而宽带噪声则只有17nV/√Hz。此外，由于LMV651芯片内建双极前端电路，因此中频转角闪烁噪声较少。对于直流电作业准确性要求较高的系统来说，这是不可忽略的重要参数。

       低噪声与小巧封装也有另一项好处，像是LMV651芯片可应用于高密度的电路板，而且不会轻易受电路板的噪声干扰。此外，由于封装较小，因此这款芯片可以置于靠近馈电线路的位置，有助于缩短线路长度以及减少不必要的电感。

       低功率、高频宽

        一旦降低功率，频宽便必然会受到影响。部分可携式系统不得不采用两个串联一起的放大器，以便提供足够的频宽，以及将功耗降至不影响效能表现的最低水平。

       低功率放大器的应用范围非常广泛，除了可携式电子产品之外，工业设备如近距离感测感应器很多时都采用低功率放大器。LMV651芯片的单位增益频宽高达12MHz，转换率达3V/μs，但供电电流则只需115μA，对于必须放大微弱讯号的应用如流程控制系统来说，LMV651芯片是个理想的选择。

       低噪声、低失真

       LMV651芯片具有低噪声、低失真(THD+N)及输出电流较为理想等优点，优于其它同类的低功率芯片。这款芯片最适用于声频系统的前端电路，例如，噪声抑制电路。由于这款芯片采用SC70封装，因此最适用于耳机或PDA等小型的电子产品及系统设计。

       高精度与低功率的结合

       系统设计工程师有很多时候得得面对以下这个问题：系统若以直流电作业，芯片的准确性必须不受影响；但采用交流电作业时，相关芯片又必须能够充分发挥其效能。图1显示的复合放大器充分利用LMP7701的高精度特性。这款型号为LMP7701的高精度放大器采用美国国家半导体的VIP50工艺技术制造。LMV651芯片则置于电路的回授部分，因此芯片的输入偏移电压及噪声随着开环增益极高而减少。此外，由于整个电路的开环增益极高(两个放大器的乘积)，因此增益错误也较少。对于数据撷取等系统来说，减少增益错误是非常重要的要件，因为这会是系统出现错误讯号的主要原因。

       这款复合放大器可以充分利用LMV651芯片的较低转换率，提供高频宽的快速讯号处理，但总功耗仍然极低，大约只有800μA。回授电容器可以减少瞬时讯号产生的振铃振荡，确保增益稳定(不会出现尖峰)。LMV651芯片的反相节点与回授电路之间可以在有需要时加插电容器，以便消除LMV651芯片输入偏置电流可能会产生的不利影响。

       设计复合放大器时，最好预先核对其频率及瞬时反应，这样做会比较稳当。在此可以先将100μV的微弱讯号输入增益为100倍的复合放大器的输入端。若供电干线附近的输出摆幅没有任何振铃振荡或过冲，即表示频率的增益非常稳定。

       图2显示该模拟电路的测试结果。相关组件的数值只适用于这次仿真测试，实际作业时，有关数字可能会有出入。图2显示的两条曲线都各有40dB的增益(100)，表示可利用回授电容器消除增益尖峰。

       图3显示LMV651芯片输出端的瞬时反应(上方的曲线)，下方的曲线显示复合放大器的转换率为3V/μs，这个数值与LMV651芯片的转换率一致。



图1：低功率复合放大器。



图2：复合放大器的频率反应



图3：复合放大器的输出及转换率

      轻巧纤薄、携带方便

       毫无疑问的是，目前整个可携式电子产品市场以医疗设备等产品的增长为最快。血糖监控器、血液分析仪、助听器及血压监控器都纷纷采用低成本、低功耗及封装小巧的集成电路解决方案，确保电子产品更轻巧纤薄，电池续航力更长。但照目前的趋势发展，可携式医疗设备必须采用更创新的设计，才可确保产品更方便携带、反应更快。像ECG监控器这类产品必须能够迅速提供准确的测量数字，而且必须能够以无线方式在现场(例如救护车或事故现场)将数据实时传送给负责的医护人员。

       由于这些可携式医疗测量设备非常灵敏，因此很易受噪声干扰，以致造成讯号失真。LMV651芯片的中频转角噪声极低，而宽带噪声更低至只有17nV/√Hz，比20kΩ电阻所产生的噪声还少。LMV651芯片具有低噪声及低静态电流的优点，因此系统设计工程师可以采用较小的电阻，以便减少系统的噪声，以及延长电池寿命。



       图4：可携式ECG监控器的简化方块图。