運算放大器：新架構使老器件煥發光彩
http://www.zouyunfu.com編者語：運算放大器在支持新技術方面扮演著非常重要的角色。而伴隨著應用需求的演進，新應用對運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，工程師們正通過創造新的運放架構，不斷地改善運算放大器的性能，滿足各類新應用的需求。
運算放大器可以算得上是一個“古老”的模擬類半導體產品了。從1963年發明至今，它已經走過了40多年的發展道路，幾乎被應用到所有的應用領域。從消費類、通信、工業再到汽車，幾乎每個電子系統產品中都離不開運算放大器。
近年來，在一些應用領域運算放大器被集成到系統級芯片中。例如在手機中，它被集成到了PMU(電源管理單元)中，但對于每個新應用來說，仍然需要運算放大器。“新應用對運算放大器提出了更高的性能要求。”ADI公司高速信號處理產品線總監DavidRobertson先生對《中國電子報》記者說，“這就是為什么我們會看到，雖然運算放大器可能只包含100多個晶體管，但工程師們仍然每天都在對它們進行重新布置和設計，以獲得精度更高、帶寬更寬、動態范圍更大的運算放大器。”今年，在運算放大器領域也有多個亮點，其中PLC(電力載波通信)應用的放大器，儀表應用的放大器和醫療電子應用的多通道、高集成度運算放大器是其中的幾大熱點。
高驅動運放用于PLC
電力載波通信是今年中國應用市場的熱點，運算放大器也進入了這個熱點應用市場。電力載波通信是一類高頻應用，過去，設計工程師采用分立器件(例如場效應晶體管)對信號進行放大。但分立器件在這類應用中的劣勢非常明顯，它們一致性差，還需要工程師做大量的調試工作。現在，電力載波通信的設計工程師采用帶有功率驅動的運算放大器來進行信號的放大，不僅能夠實現比較大的放大級別，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、調試工作多的問題。很多模擬半導體公司，如Intersil、ADI、德州儀器等都推出了適合電力載波通信應用的運算放大器產品。
“電力載波通信和DSL（數字用戶線路）應用一樣，對運算放大器提出了特別高的要求，例如，信號放大的級別要很高，失真要非常低，帶寬要非常寬，驅動電流要很大，隔離要做得很好，電壓也要很高。”Intersil公司的運算放大器專家MikeWong對《中國電子報》記者說，“要滿足這么多性能上的要求，是有一定的難度的。”Intersil設計出一個新的運算放大器架構——— 電流反饋架構，該架構的轉換效率高、速度快，非常適合電力載波通信的要求。采用該架構的ISL1557大的特點是在單電源供電(4.5V到12V)、供電電流僅為6mA的情況下，具有高達750mA的驅動能力。針對這類應用，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17MHz；同時德州儀器還推出了其他高壓大電流驅動能力的放大器，如OPA56x等。
運放采用新架構
工業、儀器儀表、醫療電子等應用對放大器的準確性有極高的要求，它們要求放大器的失真要低。為了提，模擬半導體企業正在推出新的運算放大器架構。
美信公司推出了間接電流反饋架構。這種新架構與老式架構相比，在輸入級消除了共模電壓，增益級僅對消除共模電壓后的信號進行放大，增益級由電阻R1、R2設置(為提，兩個電阻可以放在芯片內部或放大器外部)。美信的MAX4462和MAX4209采用了這種間接電流反饋結構。這些器件的優勢包括：輸入共模電壓范圍擴展到地電位，無需考慮增益設置；允許2.85V至5.5V單電源供電；增益由ppm值一致的電阻設置，整個溫度范圍內保持極高的增益精度；可選擇內部零漂移緩沖器，在整個溫度范圍內提供精密基準；采用小型TDFN和SOT23封裝。
針對要求，Intersil則設計了Switchcapacitor(交換電容)的運算放大器新架構。在這種運算放大器架構中，采用斬波穩定技術(chopperstabilized)對偏置電壓進行補償。該架構的優勢是高增益精度、零漂移、低偏置電壓以及低1/f噪聲。Intersil在今年初已經推出了采用該架構的低電壓系列運算放大器ISL28133，適合醫療設備、手持儀表以及數據業務等的應用，該器件為5V單電源供電。該公司計劃在今年底推出采用該架構并適合工業應用的高電壓系列產品。
醫療電子產品集成度提高
近兩年，醫療電子在國內市場也是熱點應用領域。醫療電子領域的多種應用為運算放大器提出了不同的需求。例如，聲系統需要噪音非常低、放大倍數高的運算放大器；血糖儀等便攜醫療電子設備需要偏置電流非常低、供電電壓低、失真低、成本低、尺寸小的運算放大器；CT等大型復雜的影像設備需要通道數多、噪聲低、放大倍數高的運算放大器；而對于心電圖儀這種有人體共模干擾的設備，需要共模比高、噪聲低的運算放大器。
“在醫療電子領域，橫向集成和縱向集成的趨勢非常明顯。”ADI公司大中華區工業及醫療資深業務經理周文勝對《中國電子報》記者說，“其中橫向集成是指運算放大器多通道的集成，縱向集成則是指運算放大器與處理器、濾波器以及ADC（模擬數字轉換器）等的集成。”他進一步介紹說，像CT這樣的大型設備，通道數非常多，有上萬個甚至好幾萬個通道，以前采用分立器件或是8通道、16通道的放大器進行信號的放大。根據CT的特點，ADI推出了具有128個通道的運算放大器AS1128。這就是一個橫向集成的例子。“一般運算放大器只有2個通道、4個通道或8個通道。”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，還要解決通道之間的串擾，這些都很有挑戰性。”而ADI推出的AD927X低噪聲放大器，集成了運算放大器、濾波器、 ADC等，縱向集成的趨勢非常明顯。
周文勝表示，雖然目前在運算放大器市場，應用多的是通用產品，但在一些已經相對成熟、客戶需求趨于一致的市場，運算放大器也呈現提高集成度、成為專用芯片的趨勢。Intersil的專家MikeWong也表示，如今，將增益調節、多路輸入等功能集成到放大器上已經是一個趨勢。
此外，針對低功耗便攜醫療電子設備，要求低電壓輸入的應用，例如，供電電壓可能降低到1.2V，要擴大其動態范圍，這也是一個高難度的工作。目前，廠商也采用了很多方法來擴大動態范圍。“我們在放大器內部有一個Chargepump(充電泵)，它在放大器內部形成一個很高的電壓，給放大器供電。”MikeWong說，“這樣，輸入和輸出將實現大擺幅的特性。”
中國電子報 記者 趙艷秋
上一條：無線技術在工廠中的實際應用
下一條：變壓器上加裝開關停電不再一停一片
