|
運(yùn)算放大器的用途廣泛，因為其使用規(guī)則既簡單又不多。例如，同相增益VOUT = VIN x(1+Rf/Ri)，大約是在模擬領(lǐng)域中能找到的最簡單指導(dǎo)性準(zhǔn)則了。不過，這個等式之所以簡單，是因為我們做出了一些假設(shè)，其中包括： * 輸入阻抗無窮大，輸入電流為零； * 失調(diào)電壓為零； * 噪聲電壓為零，噪聲電流為零。 在有些應(yīng)用中，這些不可實現(xiàn)的假設(shè)條件引起的誤差是微不足道的。然而，業(yè)界需要越來越高的精確度，很多應(yīng)用要求放大器越來越逼近這些理想狀況。例如，高阻抗傳感器和光電二極管放大器對噪聲和輸入偏置電流非常敏感。低功率電流檢測電路則會受益于超低失調(diào)電壓和軌至軌電壓的工作。 盡管理想運(yùn)算放大器按照定義是不可實現(xiàn)的，但是這種放大器卻為模擬設(shè)計師們提供了一套完整的目標(biāo)規(guī)范。由于每種應(yīng)用都需要不同的規(guī)范組合，因此運(yùn)算放大器的種類不斷增多，以滿足這些需求。這些運(yùn)算放大器產(chǎn)品憑借新穎的技術(shù)越來越接近理想狀況，在以更低電壓和更低電流消耗工作時實現(xiàn)了卓越的性能。凌特公司最近推出的 3 種放大器就反映了上述趨勢。 低電流和低電壓工作 對電池供電的應(yīng)用而言，尺寸和功耗是人們關(guān)注的主要問題。對便攜式儀表內(nèi)精確應(yīng)用來說，低輸入失調(diào)電壓和低偏壓漂移也很重要。在這些應(yīng)用情況下，凌力爾特公司 LT6003(單路)、LT6004(雙路)和 LT6005(4 路)微功率運(yùn)算放大器提供了更好的選擇。這個系列的放大器用 1.6V 至 16V 的電源工作，在 25℃時最大電源電流僅為 1mA，而在 -40℃至 +85℃的整個工業(yè)溫度范圍內(nèi)最大值僅為 1.6uA。寬電源電壓范圍使 LT6003 系列甚至在兩節(jié) AA 電池的未穩(wěn)壓電源下都可以很好地工作。采用 2mm x 2mm DFN 封裝的 LT6003 單路運(yùn)算放大器尺寸是最小的，具有 290mV 的典型失調(diào)電壓和 2uV/℃的極佳漂移性能。 圖 1 LT6003 系列在壓力最大的條件下加電排序時表現(xiàn)良好 很多軌至軌運(yùn)算放大器都面臨一個難題：輸出接近兩個軌電壓時，電源電流可能上升高達(dá) 3 倍，而這種情況會在啟動時發(fā)生。如果設(shè)計師不考慮這種常常未明確規(guī)定的情況，那么很多微功率放大器需要的電流就可能超過電源所能提供的電流，從而妨礙成功的加電排序。LT6003 系列采用了特殊的設(shè)計技術(shù)，以便在實現(xiàn)真正微功率工作的整個工作范圍內(nèi)良好的運(yùn)作。圖 1 顯示了 LT6003 在對微功率運(yùn)算放大器而言最壞加電條件下的表現(xiàn)。 CMOS 運(yùn)算放大器的低偏置電流 就精確放大器而言，人們長久以來一直首選雙極型工藝而不是 CMOS，因為雙極型工藝的固有噪聲較低。不過，CMOS 工藝有吸引力的地方是固有的較低輸入偏置電流(IB)。這是因為雙極型晶體管是電流控制器件，而 MOS 晶體管是電壓控制器件。在具有高阻抗信號源的應(yīng)用中，IB 可能是信號鏈中最大的單個誤差源，因此偏置電流是非常重要的。 低噪聲和低輸入偏置電流 為了克服與 CMOS 工藝有關(guān)的較高的低頻噪聲，可以增大晶體管面積。但是增大面積也就增大了柵極電容，從而導(dǎo)致 CMOS 運(yùn)算放大器輸入電容增加。在較高頻率時，非零輸入電容引起輸入阻抗下降。運(yùn)算放大器的噪聲增益由 Vout="Vnoise"×(1+Zf/Zi) 決定，其中 Zi 包括放大器的輸入阻抗以及分立輸入電阻。大輸入電阻的放大器也許具有低噪聲，但是大輸入電容在較高頻率時導(dǎo)致高噪聲。我們只能在 1/f 噪聲的降低和輸出端寬帶噪聲的增加之間做出權(quán)衡。 圖 2 輸入電容消除技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)低的輸入噪聲并保持低的高頻噪聲 LTC6240/1/2 (單路/雙路/四路)具有非常大的輸入電阻，可將 1/f 噪聲降至僅為 550nVp-p，這一數(shù)字比得上良好的低噪聲雙極型放大器。人們可能會想，這么大的輸入結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生大的輸入電容，但是 LTC6240 系列采用了創(chuàng)新性的電容消除技術(shù)，從而使總的輸入電容僅為 3.5pF，這一數(shù)字僅為同類 CMOS 運(yùn)算放大器的 1/3。圖 2 對這種設(shè)計方法和沒有采用電容消除電路的競爭對手的低噪聲 CMOS 運(yùn)算放大器進(jìn)行了比較，說明了這種設(shè)計方法的優(yōu)點(diǎn)。LTC6241 卓越的性能、比得上良好雙極型放大器的噪聲、以及 1pA 偏置電流，極大地提高了低噪聲、光電二極管放大器和高阻抗傳感器應(yīng)用的性能。 隨著 LTC6244 的推出，凌力爾特公司低噪聲 CMOS 放大器系列擴(kuò)展了高頻應(yīng)用領(lǐng)域。這種50MHz放大器保持 5.6pF 的總輸入電容，以實現(xiàn)低噪聲增益，以及卓越的 DC 輸入性能。在很多寬帶傳感器調(diào)理應(yīng)用中，這樣的性能是非常重要的。音納接收器、線性可變差分變壓器(LVDT) 等高阻抗傳感器需要低輸入偏置電流和低噪聲。 低失調(diào)和低輸入偏置電流 LTC6078/9(雙路/四路)采用創(chuàng)新性微調(diào)電路，產(chǎn)生最大僅為 25mV 的 VOS 和0.7mV/℃的 VOS 漂移。這樣的 VOS 性能與一些斬波器穩(wěn)定型放大器和最好的雙極型放大器一樣好，該器件在 25℃時還具有最大 1pA 的輸入偏置電流，只有 CMOS 放大器才能提供這樣的偏置電流。這些極佳的輸入規(guī)范加之每個放大器最大 54mA 的電源電流和用 2.7V 電壓工作，使得 LTC6078 和 LTC6079 使功率敏感型系統(tǒng)的能力得到增強(qiáng)。 圖 3 低失調(diào)、低漂移 CMOS 運(yùn)算放大器 LTC6078 LTC6078 除了在高阻抗傳感器中用作高準(zhǔn)確度信號調(diào)理器，還可給需要電流檢測功能的手持式應(yīng)用帶來極大益處。圖 4 所示電路顯示了一個標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)算放大器電流檢測電路。選擇最佳的檢測電阻值可能是個難題。較大的檢測電阻(RS)消耗較多的功率，這是手持式儀表設(shè)計師明顯要避免的事情。不過，較小的檢測電阻限制電流測量的分辨率和準(zhǔn)確度，因為隨著檢測電阻值的下降，運(yùn)算放大器誤差的影響會增大。如果圖 4 中運(yùn)算放大器的 V OS 為 1mV，那么采用 1Ω 電阻時測量誤差可能達(dá)到 0.1%。由于 LTC6078 具有低 VOS，因此設(shè)計師可以通過采用 25mΩ 的檢測電阻，將檢測電阻功耗降低 40倍，同時保持相同的系統(tǒng)精確度。 圖 4 LTC6078 的精確度允許使用小的 RS 值，因此可在不犧牲 DC 準(zhǔn)確度的前提下降低功耗 結(jié)語 盡管理想運(yùn)算放大器可能永遠(yuǎn)不會出現(xiàn)，但是新穎的設(shè)計技術(shù)正在使新一代放大器越來越接近理想狀況。這些產(chǎn)品允許系統(tǒng)設(shè)計師在多種應(yīng)用中實現(xiàn)精確度更高、功率更低的系統(tǒng)。 |
