編者語：運(yùn)算放大器在支持新技術(shù)方面扮演著非常重要的角色。而伴隨著應(yīng)用需求的演進(jìn)，新應(yīng)用對(duì)運(yùn)算放大器提出了更高的要求，例如更高的精度、更高的帶寬、更低的失真等等。為此，工程師們正通過創(chuàng)造新的運(yùn)放架構(gòu)，不斷地改善運(yùn)算放大器的性能，滿足各類新應(yīng)用的需求。
運(yùn)算放大器可以算得上是一個(gè)“古老”的模擬類半導(dǎo)體產(chǎn)品了。從1963年發(fā)明至今，它已經(jīng)走過了40多年的發(fā)展道路，幾乎被應(yīng)用到所有的應(yīng)用領(lǐng)域。從消費(fèi)類、通信、工業(yè)再到汽車，幾乎每個(gè)電子系統(tǒng)產(chǎn)品中都離不開運(yùn)算放大器。
近年來，在一些應(yīng)用領(lǐng)域運(yùn)算放大器被集成到系統(tǒng)級(jí)芯片中。例如在手機(jī)中，它被集成到了PMU(電源管理單元)中，但對(duì)于每個(gè)新應(yīng)用來說，仍然需要運(yùn)算放大器?！靶聭?yīng)用對(duì)運(yùn)算放大器提出了更高的性能要求?！盇DI公司高速信號(hào)處理產(chǎn)品線總監(jiān)DavidRobertson先生對(duì)《中國(guó)電子報(bào)》記者說，“這就是為什么我們會(huì)看到，雖然運(yùn)算放大器可能只包含100多個(gè)晶體管，但工程師們?nèi)匀幻刻於荚趯?duì)它們進(jìn)行重新布置和設(shè)計(jì)，以獲得精度更高、帶寬更寬、動(dòng)態(tài)范圍更大的運(yùn)算放大器?！苯衲辏谶\(yùn)算放大器領(lǐng)域也有多個(gè)亮點(diǎn)，其中PLC(電力載波通信)應(yīng)用的放大器，儀表應(yīng)用的高精度放大器和醫(yī)療電子應(yīng)用的多通道、高集成度運(yùn)算放大器是其中的幾大熱點(diǎn)。
高驅(qū)動(dòng)運(yùn)放用于PLC
電力載波通信是今年中國(guó)應(yīng)用市場(chǎng)的熱點(diǎn)，運(yùn)算放大器也進(jìn)入了這個(gè)熱點(diǎn)應(yīng)用市場(chǎng)。電力載波通信是一類高頻應(yīng)用，過去，設(shè)計(jì)工程師采用分立器件(例如場(chǎng)效應(yīng)晶體管)對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。但分立器件在這類應(yīng)用中的劣勢(shì)非常明顯，它們一致性差，還需要工程師做大量的調(diào)試工作?，F(xiàn)在，電力載波通信的設(shè)計(jì)工程師采用帶有功率驅(qū)動(dòng)的運(yùn)算放大器來進(jìn)行信號(hào)的放大，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)比較大的放大級(jí)別，例如從幾十毫安培的電流放大到1安培，而且避免了分立器件一致性差、調(diào)試工作多的問題。很多模擬半導(dǎo)體公司，如Intersil、ADI、德州儀器等都推出了適合電力載波通信應(yīng)用的運(yùn)算放大器產(chǎn)品。
“電力載波通信和DSL（數(shù)字用戶線路）應(yīng)用一樣，對(duì)運(yùn)算放大器提出了特別高的要求，例如，信號(hào)放大的級(jí)別要很高，失真要非常低，帶寬要非常寬，驅(qū)動(dòng)電流要很大，隔離要做得很好，電壓也要很高?！盜ntersil公司的運(yùn)算放大器專家MikeWong對(duì)《中國(guó)電子報(bào)》記者說，“要滿足這么多性能上的要求，是有一定的難度的?！盜ntersil設(shè)計(jì)出一個(gè)新的運(yùn)算放大器架構(gòu)——— 電流反饋架構(gòu)，該架構(gòu)的轉(zhuǎn)換效率高、速度快，非常適合電力載波通信的要求。采用該架構(gòu)的ISL1557最大的特點(diǎn)是在單電源供電(4.5V到12V)、供電電流僅為6mA的情況下，具有高達(dá)750mA的驅(qū)動(dòng)能力。針對(duì)這類應(yīng)用，德州儀器推出了OPA546，它具備1.5A輸出能力，GBW（單位增益帶寬）可達(dá)17MHz；同時(shí)德州儀器還推出了其他高壓大電流驅(qū)動(dòng)能力的放大器，如OPA56x等。
高精度運(yùn)放采用新架構(gòu)
工業(yè)、儀器儀表、醫(yī)療電子等應(yīng)用對(duì)放大器的準(zhǔn)確性有極高的要求，它們要求放大器的失真要低。為了提高精度，模擬半導(dǎo)體企業(yè)正在推出新的運(yùn)算放大器架構(gòu)。
美信公司推出了間接電流反饋架構(gòu)。這種新架構(gòu)與老式架構(gòu)相比，在輸入級(jí)消除了共模電壓，增益級(jí)僅對(duì)消除共模電壓后的信號(hào)進(jìn)行放大，增益級(jí)由電阻R1、R2設(shè)置(為提高精度，兩個(gè)電阻可以放在芯片內(nèi)部或放大器外部)。美信的MAX4462和MAX4209采用了這種間接電流反饋結(jié)構(gòu)。這些器件的優(yōu)勢(shì)包括：輸入共模電壓范圍擴(kuò)展到地電位，無需考慮增益設(shè)置；允許2.85V至5.5V單電源供電；增益由ppm值一致的電阻設(shè)置，整個(gè)溫度范圍內(nèi)保持極高的增益精度；可選擇內(nèi)部零漂移緩沖器，在整個(gè)溫度范圍內(nèi)提供精密基準(zhǔn)；采用小型TDFN和SOT23封裝。
針對(duì)高精度要求，Intersil則設(shè)計(jì)了Switchcapacitor(交換電容)的運(yùn)算放大器新架構(gòu)。在這種運(yùn)算放大器架構(gòu)中，采用斬波穩(wěn)定技術(shù)(chopperstabilized)對(duì)偏置電壓進(jìn)行補(bǔ)償。該架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)是高增益精度、零漂移、低偏置電壓以及低1/f噪聲。Intersil在今年初已經(jīng)推出了采用該架構(gòu)的低電壓系列運(yùn)算放大器ISL28133，適合醫(yī)療設(shè)備、手持儀表以及數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等的應(yīng)用，該器件為5V單電源供電。該公司計(jì)劃在今年底推出采用該架構(gòu)并適合工業(yè)應(yīng)用的高電壓系列產(chǎn)品。
醫(yī)療電子產(chǎn)品集成度提高
近兩年，醫(yī)療電子在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)也是熱點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域。醫(yī)療電子領(lǐng)域的多種應(yīng)用為運(yùn)算放大器提出了不同的需求。例如，超聲系統(tǒng)需要噪音非常低、放大倍數(shù)高的運(yùn)算放大器；血糖儀等便攜醫(yī)療電子設(shè)備需要偏置電流非常低、供電電壓低、失真低、成本低、尺寸小的運(yùn)算放大器；CT等大型復(fù)雜的影像設(shè)備需要通道數(shù)多、噪聲低、放大倍數(shù)高的運(yùn)算放大器；而對(duì)于心電圖儀這種有人體共模干擾的設(shè)備，需要共模抑制比高、噪聲低的運(yùn)算放大器。
“在醫(yī)療電子領(lǐng)域，橫向集成和縱向集成的趨勢(shì)非常明顯?！盇DI公司大中華區(qū)工業(yè)及醫(yī)療資深業(yè)務(wù)經(jīng)理周文勝對(duì)《中國(guó)電子報(bào)》記者說，“其中橫向集成是指運(yùn)算放大器多通道的集成，縱向集成則是指運(yùn)算放大器與處理器、濾波器以及ADC（模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器）等的集成?！彼M(jìn)一步介紹說，像CT這樣的大型設(shè)備，通道數(shù)非常多，有上萬個(gè)甚至好幾萬個(gè)通道，以前采用分立器件或是8通道、16通道的放大器進(jìn)行信號(hào)的放大。根據(jù)CT的特點(diǎn)，ADI推出了具有128個(gè)通道的運(yùn)算放大器AS1128。這就是一個(gè)橫向集成的例子。“一般運(yùn)算放大器只有2個(gè)通道、4個(gè)通道或8個(gè)通道。”周文勝說，“集成這么多的通道，這些通道要處理非常敏感的小信號(hào)，還要解決通道之間的串?dāng)_，這些都很有挑戰(zhàn)性。”而ADI推出的AD927X低噪聲放大器，集成了運(yùn)算放大器、濾波器、 ADC等，縱向集成的趨勢(shì)非常明顯。
周文勝表示，雖然目前在運(yùn)算放大器市場(chǎng)，應(yīng)用最多的是通用產(chǎn)品，但在一些已經(jīng)相對(duì)成熟、客戶需求趨于一致的市場(chǎng)，運(yùn)算放大器也呈現(xiàn)提高集成度、成為專用芯片的趨勢(shì)。Intersil的專家MikeWong也表示，如今，將增益調(diào)節(jié)、多路輸入等功能集成到放大器上已經(jīng)是一個(gè)趨勢(shì)。
此外，針對(duì)低功耗便攜醫(yī)療電子設(shè)備，要求低電壓輸入的應(yīng)用，例如，供電電壓可能降低到1.2V，要擴(kuò)大其動(dòng)態(tài)范圍，這也是一個(gè)高難度的工作。目前，廠商也采用了很多方法來擴(kuò)大動(dòng)態(tài)范圍?！拔覀?cè)诜糯笃鲀?nèi)部有一個(gè)Chargepump(充電泵)，它在放大器內(nèi)部形成一個(gè)很高的電壓，給放大器供電?！盡ikeWong說，“這樣，輸入和輸出將實(shí)現(xiàn)大擺幅的特性?！?/FONT>
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