接近理想的運算放大器

運算放大器的用途廣泛，因為其使用規則既簡單又不多。例如，同相增益V^OUT=V^INx(1+R^f／Rⁱ)，大約是在模擬領域中能找到的最簡單指導性準則了。不過，這個等式之所以簡單，是因為我們做出了一些假設，其中包括：

輸入阻抗無窮大，輸入電流為零；

失調電壓為零；

噪聲電壓為零，噪聲電流為零。

在有些應用中，這些不可實現的假設條件引起的誤差是微不足道的。然而，業界需要越來越高的精確度，很多應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電壓和軌至軌電壓的工作。

盡管理想運算放大器按照定義是不可實現的，但是這種放大器卻為模擬設計師們提供了一套完整的目標規范。由于每種應用都需要不同的規范組合，因此運算放大器的種類不斷增多，以滿足這些需求。這些運算放大器產品憑借新穎的技術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

對電池供電的應用而言，尺寸和功耗是人們關注的主要問題。對便攜式儀表內精確應用來說，低輸入失調電壓和低偏壓漂移也很重要。在這些應用情況下，凌力爾特公司LT6003(單路)、LT6004(雙路)和LT6005(4路)微功率運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lμA，而在-40℃至+85℃的整個工業溫度范圍內最大值僅為1.6uA。寬電源電壓范圍使LT6003系列甚至在兩節AA電池的未穩壓電源下都可以很好地工作。采用2mm×2mm DFN封裝的LT6003單路運算放大器尺寸是最小的，具有290gV的典型失調電壓和2uV/℃的極佳漂移性能。

很多軌至軌運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3倍，而這種情況會在啟動時發生。如果設計師不考慮這種常常未明確規定的情況，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計技術，以便在實現真正微功率工作的整個工作范圍內良好的運作。圖l顯示了LT6003在對微功率運算放大器而言最壞加電條件下的表現。

CMOS運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，從而導致CMOS運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。運算放大器的噪聲增益出V^out=V^noise×(1+z^f/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衡。

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，這么大的輸入結構會產生大的輸入電容，但是LTC6240系列采用了創新性的電容消除技術，從而使總的輸入電容僅為3.5pF，這一數字僅為同類CMOS運算放大器的1/3。圖2對這種設計方法和沒有采用電容消除電路的競爭對手的低噪聲CMOS運算放大器進行了比較，說明了這種設計方法的優點。LTC6241卓越的性能、比得上良好雙極型放大器的噪聲、以及lpA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放大器系列擴展了高頻應用領域。這種50MHz放大器保持5.6pF的總輸入電容，以實現低噪聲增益，以及卓越的DC輸入性能。在很多寬帶傳感器調理應用中，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。

低失調和低輸入偏置電流

LTC6078/9(雙路／四路)采用創新性微調電路，產生最大僅為25μV的V^os和0.7μV/℃的V^os漂移。這樣的V^os性能與一些斬波器穩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lpA的輸入偏置電流，只有CMOS放大器才能提供這樣的偏置電流。這些極佳的輸入規范加之每個放大器最大54μA的電源電流和用2.7V電壓工作，使得LTC6078和LTC6079使功率敏感型系統的能力得到增強。

LTC6078除了在高阻抗傳感器中用作高準確度信號調理器，還可給需要電流檢測功能的手持式應用帶來極大益處。圖4所示電路顯示了一個標準的運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確度，因為隨著檢測電阻值的下降，運算放大器誤差的影響會增大。如果圖4中運算放大器的VOS為1mV，那么采用1Ω電阻時測量誤差可能達到O.1％。由于LTC6078具有低VOS，因此設計師可以通過采用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精確度。

結語

盡管理想運算放大器可能永遠不會出現，但是新穎的設計技術正在使新一代放大器越來越接近理想狀況。這些產品允許系統設計師在多種應用中實現精確度更高、功率更低的系統。