幾類運算放大器的基本特性及設計要素

圣邦微電子(北京)有限公司 譚 磊

運算放大器是典型的模擬集成電路。可以說有了運算放大器才算有了模擬集成電路，其歷史也就是模擬集成電路的歷史。運算放大器的設計和開發不像其外特性那樣直觀明了，外特性差異細微的運算放大器，其內部差異之巨大也往往令人出乎意料。投入資源開發有細微差異的運放是工程需求、工程需求背后的商業利益追求以及知識產權創新的需要，這從圣邦微電子公司近年開發的運放產品中可以一窺端倪。

微功耗運算放大器

大幅度地減少功耗對應用設計帶來的影響不止是節能。如果平均功率從毫安量級下降到微安量級甚至微安以下，則供電方案可以有很大不同，使一些原本不方便、不能實現的應用得以實現。例如圖1所示的電源電路可以驅動一個以微功耗運算放大器為檢測部分、配合儲能和間歇執行部分的電路，利用單條電源線控制負載。一些電源開關盒中實際上只是一條線路，對這些開關升級（例如升級成遙控調光或者接近開關）時需要為控制電路供電。負載沒有接通時，只能通過微量電流供電。如果這個電流較大，則會導致負載部分啟動或間歇啟動，對于輕負載（例如3～5 W發光二極管燈）尤為顯著。實際應用中利用SGM8041的微功耗特性解決了這一問題。

圖1所示的電路設計工作在交流電的電壓范圍內，但其元件中只有電阻R(以及執行部件和電流互感器T的原副邊之間)承受較高電壓，其余元件耐壓均以齊納管的擊穿電壓為參考。當功率負載較大時，電流互感器T用于在接通期間給控制電路供電；如果負載較小，接通期間也可以通過延遲開啟角度取得一定的電壓差給控制電路供電。

低功耗產品已很普及，如常用的TLC27L和MCP6041；后者靜態電流僅600 nA。SGM8141/2為更極端的微功耗運算器產品，其靜態電流僅為350 nA，失調電壓則控制在最大不超過2.5 mV。利用SGM8141/2可以在系統深度休眠時提供連續參數監測，用于喚醒或者異常觸發，也用于信號自供電或利用能量收集(例如震動、熱和光)的設計中。

微功耗運算放大器設計的挑戰在于如何利用盡可能少的電路實現在全輸入范圍內保持小而穩定的失調電壓。微功耗運放無法利用復雜電路對溫度變化進行補償以及嚴格根據共模鎖定輸入節的偏置，失調補償依賴于參數補償設計和精細的版圖設計。圖2是圣邦微功耗運放產品的失調電壓分布統計。

圖2 圣邦微功耗運放的失調電壓分布

高精度運算放大器

從本征特性看，CMOSFET的穩定性和噪聲特性(尤其是1/f噪聲)，以及響應速度均不及雙極型晶體管，但其高輸入阻抗、低偏置電流、低耗電和結構緊湊等優勢令雙極型器件難以企及。CMOS產品出現以來，改善其噪聲、穩定性和速度的努力從來沒有中斷過。除了少數特別的應用場合，CMOS運放已取代了雙極型運放成為主流。例如SGM8551系列高精度運放可保證小于20μV的失調電壓和小于20 nV的溫漂，各方面都超過了傳統的高精度運放(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。

高精度運算放大器對應用工程的意義無需贅敘，其對設計工程的挑戰則比較特別。高精度運放設計是專利集中的領域，很多電路方案和布線方案受到保護；新設計要在保護和利用的原則下創新。圣邦的高精度運放產品設計是業內最新數據模型和部分創新的結合。

與在高精度測量放大系統中方案靈活多變（例如相關雙采樣方案、斬波調制放大方案和斬波跟蹤方案等）不同，高精度運算放大器的實現方案局限于精密跟蹤補償和交替自穩零兩類基礎方案。

如圖3，交替自穩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傳送和放大的；自穩零校準則是交替進行的。不在傳遞信號的一組的失調被饋入調零通道，調節偏置使失調為零。

高電壓運算放大器

在工業現場或者類似的惡劣條件場合，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行力。只是提高工作電壓對設計容限的改進是有限的。事實上大多數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。現代意義下的高壓運放需要高適應性，包括大動態工作電壓范圍、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4.5 V～36 V，共模和差模輸入均允許到電源電壓，電源短期過壓可超過40 V。

現代意義下的高壓運放是一個較新的運放品種，例如TI也只是在近期才開始推廣其OPA171系列的高壓運放。這些高壓運放都具有大動態、低電流的特點，以JFET或CMOS作為輸入，普遍采用BCD混合結構，其特性優勢是雙極型高壓運放無法類比的。高壓運放的結構與低壓運放的結構不同，如輸入節要在大得多的共模電壓范圍內保持穩定的失調電壓，輸出節要承受大的柵-漏(或基-集)電壓。SGM8291在全電壓范圍內失調不超過0.9 mV并允許輸出長期短路。

開發高壓運放以完善工業產品鏈的社會意義大于開發者的直接經濟意義。盡管高壓運放對工業應用來講是不可或缺的，但實際上，其應用空間被低壓結構系統不斷擠占。其一是因為在大多系統中信號最終被饋送到或者最初來自低壓的數字處理電路，低壓系統已具備系統級高設計容限；其二是外圍電路改進可利用低壓電路取得類似高壓器件的容限，分享低壓元件選擇性大、供應量好和價格低的紅利。但是有些應用場景注定需要高壓運放。圖4示意了在輸入側和輸出側適合使用高壓運放的若干情況。

半導體集成運算放大器從上世紀60年代開發面市，歷經半百滄桑到今天，依然還不斷有新的產品推出，見證了人類對自然深入探究和提升自我的不斷追求。近些年國內出現了若干家像圣邦一樣以模擬集成電路開發推廣為主要業務的新半導體公司，對拓展應用和推動市場競爭做出了貢獻。本文介紹的圣邦公司產品的特性均可與已知高性能產品的規格齊平。在成熟的應用中，包括運放在內的模擬電路被越來越多地集成到了單片系統中，同時隨著認識的深入和處理能力的提高，也不斷有新的要求需要新的產品來滿足。