選擇運算放大器沒那么簡單

選擇運放與這些器件的規(guī)格一樣復雜。通過了解運放的基礎(chǔ)知識，了解自己的應(yīng)用要求，并使用獨立工具和在線工具，就可以做出正確的選擇。

要 點

◆一只放大器的所有五只管腳都有重要規(guī)格。
◆應(yīng)用通常驅(qū)動選擇過程。
◆了解數(shù)據(jù)資料的各個部分，能更好地選擇部件。
◆半導體工藝影響著放大器的規(guī)格。
◆在線工具與選擇指南可以幫助你找到正確的器件。
◆考慮使用專門的放大器。
◆你可能認為選擇運放是件再簡單不過的事。畢竟，所有運放都只有三個重要管腳：兩個輸入和一個輸出。但是，在設(shè)計一款普通運放時，還必須考慮到另外兩個電源腳，全部五個管腳組成了令人困惑的規(guī)格陣列。事實上，放大器設(shè)計與選擇可能是最讓模擬系統(tǒng)工程師生畏的任務(wù)。

在選擇放大器時，必須確定該器件運行的最大電壓和最小電壓、靜態(tài)電流、運放要為負載提供的電流，以及它使用的所有其它電流。例如，你可能將兩個電源腳設(shè) 定為用分離電源的雙極運行，或者將負電源端接地，作單端運行（圖 1）。盡管任何放大器都可以接成雙極或單端電路，但通常有一些其它因素會使器件更適合單端工作。另外，輸入腳幾乎總是包含了輸入范圍內(nèi)的接地，或者提供滿擺幅輸入，此時輸入腳可以

工作到電源兩個極值上。還有一些事情也使設(shè)計復雜化，如運放數(shù)據(jù)資料一般都表示單端工作的規(guī)格，盡管測試工程師有可能修改器件的工作條件，并重新描述規(guī)格以反映雙極工作狀況。

　 　輸出電流是一項重要規(guī)格。即使在輸出腳低于兩個電壓線路 0.6V 情況下，滿擺幅輸出的器件也能提供可用的驅(qū)動電流。與雙極輸出的器件相比，采用 FET 輸出的器件擺幅可以更接近兩個電壓線路。例如，Intersil 的 30mA EL5020在 5 mA 時，可以在兩個線路之間 15 mV 的范圍內(nèi)擺動。為保證精確和低失真的性能，還必須了解輸出腳阻抗，這個阻抗會隨頻率而變化。另外，輸出腳必須驅(qū)動某種電平的容性負載。有些器件要驅(qū)動無限制的容性負載，如美國國家半導體公司的 LM8272，而普通的視頻放大器在數(shù)十個皮法的負載電容時就會振蕩。

　　Analog Devices 公司的應(yīng)用工程總監(jiān) Dave Kress 認為，放大器選擇有五個關(guān)鍵要素（圖 2）：帶寬、電源、一個封裝中多只器件的要求、應(yīng)用和成本。另一方面，德州儀器公司 Burr-Brown 部的線性應(yīng)用經(jīng)理 Tim Green 則將這些因素縮減為三點：電壓、電流和帶寬。

不過，美國國家半導體公司的一名應(yīng)用工程師 Paul Grohe 更多地考慮放大器的內(nèi)部。他說：“偏置電流與帶寬這兩個 B 是關(guān)鍵。一個快速器件會消耗較多電流，而一個低噪聲器件也會消耗較多電流。并且，如果你使用一個高的源阻抗，輸入偏置電流就是最重要的規(guī)格?！?br/>
　 　美國國家半導體公司資深科學家 Bob Pease 指出，如果供應(yīng)商不能及時提供器件，規(guī)格就沒什么作用。他還說，噪聲經(jīng)常被忽視，但絕對是個極其關(guān)鍵的參數(shù)。他說：“不存在簡單的答案，你必須自己作判 斷。每種應(yīng)用都有一到兩個主要參數(shù)，你必須找出它們。你不可能擁有一切。”

　　Tim Regan 是 Linear Technology 的信號調(diào)節(jié)單元應(yīng)用經(jīng)理，他使用縮略詞 SNAP（供電電壓與電流/交流或直流性能需要/放大器數(shù)量/封裝）幫助工程師記憶這些重要的折衷關(guān)系。Maxim 的運放與比較器商務(wù)營銷經(jīng)理 Patrick Long 也提到，封裝是一個重要條件。例如，假設(shè)器件的目標應(yīng)用是手機，你會希望用倒裝或焊球封裝。這些超小型封裝可在一個硅片大小的電路板空間上提供高性能的模擬功能。

　　理解運放選擇范圍的一種方法是看數(shù)據(jù)單的結(jié)構(gòu)。第一頁是一個很有價值的工具，它給出了主要特性和目標應(yīng)用。如果忽略那些營銷 術(shù)語（如“慢”和“快”），而尋找實際的速度圖，就可以快速確定該放大器是否在自己應(yīng)用的適用范圍內(nèi)。第一頁可能說明了制造商用于制作該運放的工藝（見附文1“運算放大器工藝”）。

　　在運放數(shù)據(jù)資料中，緊跟第一頁的一般是有關(guān)最大絕對額定值的部分。這部分通常包括器件將承受的最高電壓和溫度。顯然，這一部分的重要位置表明這些參數(shù)在選擇中的重要性，因為它們是絕對的最大值。任何時刻器件都不能超過這些極限值。

　 　數(shù)據(jù)資料中還有一些關(guān)于直流特性與交流特性及工作電壓的表格。表格清楚地表明了在設(shè)計者建立表格時，器件可以運行的工作電壓。第一頁可能稱器件能工作在低至 2.7V 電壓下，而表格中可能表示器件可以運行在 3V。雖然將一只 3V 器件運行在 2.7V 是可以接受的，但卻不能使用 3V 下數(shù)據(jù)單表格中的規(guī)格值。你可以向制造商詢問在較低電壓下的器件特性，或者必須自己測試。表中的值都是制造商必須滿足的契約責任。


數(shù)據(jù)資料中，表格后面是圖表頁。雖然這些圖表并不表示一種法律責任，但它們很重要。例如，表格中可能表示一個很大的 PSRR（電源抑制比），而圖表卻顯示這個規(guī)格會隨頻率的增加而顯著下降。如果一只放大器正用于一個有 1MHz 輸出紋波的 1MHz 轉(zhuǎn)換開關(guān)，則必須用相應(yīng)圖表對 1MHz 下的 PSRR 作出評估，并且要記住設(shè)計者創(chuàng)建圖表時是在某個工作電壓下，這種電壓下可能得到比你的電路更好的結(jié)果。同樣，表中的電壓噪聲是基于較高頻率上的平坦噪聲。對于直流或低頻應(yīng)用，必須查詢圖表，以確定你電路中頻率對應(yīng)的噪聲（圖 3）。

　 　還有一種專用放大器是混合放大器，它內(nèi)部使用分立晶體管或擁有多級放大器，即一種信號用多個放大器，而不是采用多個封裝。例如，Cirrus Logic 的 CS3001 系列有 1 萬億（或 300 dB）的開環(huán)增益，這是其信號鏈中有一個以上放大器的確切標志。相位響應(yīng)表明，這款器件是一種混合放大器，適用于儀器應(yīng)用。巨大增益意味著低失真。

另一種形式的混合放大器是斬波放大器，或自動調(diào)零放大器。這些放大器也叫做自動歸零放大器，它有一個不斷校正偏移電壓的第二個放大器。這種功能適用 于直流儀器中使用的器件，特別是偏移校正可以消除低頻噪聲。缺點是這些器件速度慢，而它們的斬波頻率一般在 100Hz~35kHz范圍內(nèi)，會對輸出造成干擾。這個頻率遠遠超出預(yù)期的有用頻率，要用后面的濾波器級將其過濾掉。一個值得注意的例外是美國國家半導體公司的 LMP2011，它擁有與斬波放大器相應(yīng)的微伏級偏移，而仍有 3 MHz 的帶寬。該器件亦提供比其它斬波放大器更好的瞬態(tài)響應(yīng)與轉(zhuǎn)換速率。

　　差分輸出放大器提供一個音頻信號路徑，它不受接地回路或緩沖差分輸入 ADC 的影響。差分輸出音頻放大器工作在千赫茲范圍，而 ADC 緩沖則工作在千兆赫茲范圍。

　 　儀表放大器通常是有三個放大器的混合式放大器，這樣輸入可以工作在大的共模范圍內(nèi)。當你改變一只普通放大器正引腳的電壓時，輸出電壓會跟隨輸入電壓變化，同時輸入腳之間的差值使輸出端超出該電平。另一方面，儀表放大器有基準腳，它將輸出基準設(shè)定在所需的電壓，一般為地。這一特性使它們能用于測量 Whe

atstone 橋傳感器，如壓力規(guī)，也可以用于測量高側(cè)電流。它的缺點是速度低和成本高。儀表放大器的通常目標用途是直流信號。有些具有5Hz ~ 0.5MHz的帶寬（根據(jù)增益），如德州儀器公司 Burr-Brown 部的 PGA206。這些器件有數(shù)字可編程的增益，并采用 JFET（結(jié)型場效應(yīng)晶體管）輸入級，提供低噪聲和高速度。

　　其它專用放大器已不太流行，但對那些了解如何使用的模擬專家來說，它們?nèi)?然是有用的?；Х糯笃鳎ㄈ缑绹鴩野雽w公司的 LM13700）有可變增益。它們將控制腳上的輸入電流乘以放大器輸入腳上的電壓。數(shù)據(jù)資料值得一讀的原因只是因為它覆蓋了繁多應(yīng)用（參考文獻 A）。該公司的 LM3900 Norton 放大器已經(jīng)過時，但 LM359 仍在生產(chǎn)。這些放大器采用 Norton 的電流定律，它作用于進入電源鏡像的一個電流差，與幾乎所有其它放大器所采用的輸入差分對相反。該器件很少見，但能為分析與理解提供一種有趣的練習（參考文獻 B）。On Semiconductor 公司的 MC33304 電源自適應(yīng)放大器也已過時，但仍令人感興趣，因為無論何時其輸出電流超過用戶選擇的閾值時，它的靜態(tài)電流與頻率響應(yīng)都會增加。

參考文獻
A. "LM13700—Dual Operational Transconductance Amplifier with Linearizing Diodes and Buffers," National Semiconductor, 2007.
B. "LM359 Dual, High Speed, Programmable, Current Mode (Norton) Amplifiers," National Semiconductor, August 2000.