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運算放大器必知必會:基本特性與設(shè)計因素須知

作者: 時間:2012-11-01 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
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)用場合,CMOS運放已取代了雙極型運放成為主力。例如SGM8551系列高精度運放可保證小于20μV的失調(diào)電壓和小于20nV/°的溫漂,各方面都超過了傳統(tǒng)的高精度運放,例如OP07,以及同類的LMV2011。SGM8551已成功用于6位半精度的過程校驗儀表。

  高精度的對應(yīng)用工程意義明了、毋庸贅敘,其設(shè)計工程的挑戰(zhàn)則比較特別;高精度運放設(shè)計是專利集中的領(lǐng)域,很多電路方案和布線方案受到保護;新設(shè)計要在保護和利用的原則下創(chuàng)新。圣邦的高精度運放產(chǎn)品設(shè)計是業(yè)內(nèi)最新數(shù)據(jù)模型和部分創(chuàng)新的結(jié)合。

  與在高精度測量放大系統(tǒng)中方案靈活多變不同,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等,高精度的實現(xiàn)方案局限于精密跟蹤補償和交替自穩(wěn)零兩類基礎(chǔ)方案。

  參考圖5,交替自穩(wěn)零方案的原理與斬波跟蹤放大器類似。信號通道上的第一級被分為兩個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,保證了信號是被近似連續(xù)傳送和放大的;自穩(wěn)零校準則是交替進行的。不在傳遞信號的一組的失調(diào)被饋入調(diào)零通道,調(diào)節(jié)偏置使失調(diào)為零。

  

(電子工程專輯)

  圖5: 交替自穩(wěn)零的原理示意圖。

高電壓

  在工業(yè)現(xiàn)場或者類似惡劣條件的場合,采用可直接工作在較高電壓的運放有利于提高可用率和執(zhí)行力。只是提高工作電壓對設(shè)計容限的改進是有限的;事實上大多數(shù)早期的雙極型運放可工作在較高電壓下,但不能在低電壓下工作。現(xiàn)代意義下的高壓運放需要高適應(yīng)性,包括大動態(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4.5V~36V,共模和差模均輸入允許到電源電壓,電源短期過壓可超過40V。

  現(xiàn)代意義下的高壓運放是一個較新的運放品種,例如TI也只是在近期開始推廣其OPA171系列的高壓運放。這些高壓運放全部具有大動態(tài)、低電流的特點,以JFET或CMOS作為輸入,普遍采用BCD混合結(jié)構(gòu);其特性優(yōu)勢是雙極型高壓運放無法抗類比的。高壓運放的結(jié)構(gòu)與低壓運放的結(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0.9mV并允許輸出長期短路。

  圖6用來解釋如何實現(xiàn)這些特性所需要的結(jié)構(gòu)差異的一個示意方案(此示意圖并不暗示圣邦使用了這一結(jié)構(gòu))。其中CC1~CC3恒流源需要利用雙極型的本征恒流特性穩(wěn)定輸入差分對的偏置;A采用CMOS取得高增益;T1、T2采用DMOS實現(xiàn)高耐壓。低壓運放不需要這些組合。

  

(電子工程專輯)

  圖6: 解釋高壓運放結(jié)構(gòu)差異的示意圖。



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