運算放大器:單通道,雙通道抑或四通道(下)

Harry Holt

(接上期)

好的例子

當通道間具有非常復雜的交互時，使用雙通道運放的匹配特征何時才有意義呢?有兩種常見的應用可以考慮；自己構建三路運放儀表放大器，并對關鍵應用進行相位補償。圖6是經典的三路運放儀表放大器內部結構圖。

對于這種應用，一般人會使用四通道運放。但請注意，A1和A2工作時的噪聲增益可能是5、10或更高。這意味著輸入失調電壓和輸入電壓噪聲很重要。A3有不同的要求，因此需要使用不同類型的運放。A3通常工作在很低的增益下，而且以儀表放大器總輸入為參考的輸入噪聲將被第一級電路的增益所除，因此重要性低得多。最后，第三個運放的負載一般會比前兩個高。

輸入部分的失調電壓取決于A1和A2的Vos。市場上能夠保證兩個部分之間完全匹配的雙通道運放不多。即使不能保證完全匹配，兩個運放也存在一定程度的匹配。例如，AD8599數據手冊上的最大delta Vos是2.2μV／℃，雖然手冊上沒有說明匹配性能，但對100個器件的隨機抽樣表明，最大差值不超過1μV／℃。考慮最壞情況的設計應使用數據手冊上的最大Vos，然后由單片匹配提供額外的余量，從而實現可靠的設計。儀表放大器的最重要參數之一是共模抑制比(CMRR)。PallAs-Areny表明，A1和A2的CMRR匹配可提高總的CMRR，這是輸入級使用單片雙通道器件的主要原因。

A1和A2的負載比較輕，但A3的負載很重，因此從電氣和熱性能上看，單片雙通道和單通道器件會更好。另外，從布線的角度考慮，這種應用也傾向于使用單片雙通道和單通道器件。順便提一下，輸出部分的直流和交流CMRR很大程度上取決于電阻匹配和寄生電容匹配，這是經常被忽視的一個因素。隨著多年來半導體制造技術的改進，采用激光微調薄膜電阻的單片差動放大器，如AD8271，可以比分立運放和4個0.1％電阻的成本更低，而且具有更好的性能。根據所需的CMRR與頻率關系、PCB尺寸、整體精度以及總的供電電流，完整的單片式儀表放大器(如AD8226)將是最佳選擇。

電力線監控

對于單極點系統，眾所周知，當幅度減少3dB時相移是45度。另外一條有用的經驗就是，當頻率在角頻率之上10倍頻或角頻率之下10倍頻時，相位將分別偏離零度或偏離90度的5.71度(如表1)。

值得注意的是，即使是在低于角頻率100倍的頻率處，相移仍大于0.5度，并且幅度比設想的要稍低一些。

對于在幅度和相位方面需要特別高精度的系統，比如電力線監控應用，可以使用一個運放部分的交流特性補償另一個運放部分的相位響應。基本概念如圖7所示，普通單極點系統(標示為未補償)和圖7系統(標示為已補償)的相位響應如圖8所示。圖中沒有提及什么數學關系，欲想了解更多細節，請閱讀參考文獻。

糟糕的例子

信號鏈中的四通道運放

如果是毫伏數量級的信號源，信號鏈必須具有低噪聲性能才能保持可接受的信噪比(SNR)。增益分配和選擇合適的單通道、雙通道或四通道運放可以改善性能、降低總體成本。例如，在最大輸入信號為50mV、輸出10V到2k Ω負載情況下，增益要求達到200。

圖9中的四個模塊可以分別配置為緩沖器、增益為，1的反相累加放大器(用于校準整條信號鏈失調電壓)、增益為1的Sallen-Key濾波器和增益為200的電路級。

可以選擇一個四通道運放滿足全部四個運放的要求。但這是一種糟糕的設計，原因有以下幾個方面：(1)為了使第一級電路有低的噪聲，必須選擇一個低噪聲的四通道運放，如AD8674；(2)在輸出級和輸入級之間的PCB上存在電氣耦合，在兩個部分之間的硅片上存在熱耦合；(3)最后一級要求較大的增益帶寬。

一種較好的方案(雖然不是唯一的方案!)是將一些增益分配到信號鏈的前面。不過前面分配過多的增益將導致中間級過載。如果第一級增益為10，那么第二級貢獻的噪聲(以輸入為參考)等于第二級的噪聲除以10。隨著每一級增益的增加，后一級的要求可以不斷降低。購買一個昂貴的低噪聲四通道運放實現所有4級模塊的成本效益就不如前兩級用低噪聲雙通道運放、后兩級用低成本的通用雙通道運放。

耳機放大器

即使可以用硅片構建一個完美的雙通道運放，在封裝和PCB方面還有許多考慮因素。雙通道和四通道運放只有一對電源引腳，而不是兩對或四對。邦定線的電阻可能在50～100mΩ之間，因此使用雙通道運放的一個部分向低阻抗耳機提供100～200mA電流可能存在問題。典型原理圖上的多個接地符號都默認為OV，但實際上并不正確。如果某個接地符號是OV，那么由于IR壓降問題，所有其它符號都要比這個符號高或低幾個毫伏。1英寸的PCB走線很容易在意想不到的地方產生50mV以上的IR壓降。圖10顯示了理想的立體聲耳機放大器原理圖，它具有理論上無限的通道間隔離度。

圖11是實際的耳機放大器電路圖，通道間隔離度只有60dB。對這個電路的仿真表明，邦定線和片上金屬化層確實會導致一些串擾，但主要串擾源還是1／4英寸的PCB走線。這段走線是左通道負載和右通道信號源的公共接地回路。兩個單通道運放具有更好的性能、更低的結點溫度、更高的可靠性和PCB版圖設計更容易的優勢。

結語

由于裝配的自動化和封裝尺寸的減小，采用單通道和雙通道運放還是四通道運放對總體成本沒有影響。通過對PCB版圖、性能隨溫度的變化、通道隔離度、相位匹配和成本的全面考慮，可以獲得一種單通道或雙通道運放的最佳使用組合選擇。

ST推出基于COnex—M3的STM32L超低功耗微控制器

日前，意法半導體(ST)宣布開始向主要客戶提供STM32L系列微控制器樣片，STM32L系列產品是業界首款來自全球十大半導體供應商之一的超低功耗ARM Cortex-M3微控制器。STM32L系列產品采用意法半導體獨有的兩大節能技術：130nm專用低泄漏電流制造工藝和優化的節能架構，提供業界領先的節能性能。

除極高能效外，STM32L還具備提高數據安全性、促進系統安全操作的諸多安全功能，包括靈活的欠壓復位、片上閃存支持糾錯碼(ECC)、存儲器保護單元(MPU)和JTAG熔斷器。這些功能被推薦用于所有的需要安全產品特性和高度安全的代碼及用戶數據管理的應用。片上集成的USB2.0 Full Speed支持模塊使STM32L還能支持移動外設。此外，STM32L系列微控制器內置的LCD驅動器。可輕松實現更低廉、更小的應用設計。