运算放大器的发展方向及需要权衡取舍的问题

运算放大器是模拟电路设计中的基本构建模块，将更小的尺寸和更高的性能相结合一直是理想的目标。本应用笔记重点介绍了运算放大器的发展方向，以及需要权衡取舍的问题。

介绍

在当今不断增长的电子设备市场中，对更高性能的运算放大器的需求不断。更高的带宽、更低的功耗和更高的精度是新产品所需的一些主要参数。然而，尽管这些规格有所改进，但理想的运算放大器仍然是一个神话;运算放大器设计仍然是一个权衡取舍的游戏。幸运的是，大多数应用程序都有一个比其他参数更关键的参数，并且可以达成妥协。目标不是创建理想的运算放大器，而是为特定应用创建最佳运算放大器。

针对不同应用优化运算放大器

随着电池供电产品的增加，对功耗更低的运算放大器的需求也越来越大。这些便携式应用中使用的运算放大器通常必须采用较低（通常是单）的正电源电压工作，同时消耗较少的电流。客户对低电流消耗的需求给设计人员带来了相当大的挑战，因为一些运算放大器需要以更高的频率或更低的噪声工作，尽管必须消耗较少的电流。

随着这些便携式设备的缩小，电路板空间成为一个重要因素。因此，对更小封装的需求增加。较旧、更流行的表面贴装封装之一是小外形 （SO） 封装，与一些较新的封装（如 SOT23、SC70）甚至微型芯片级封装（如 UCSP）相比，它并不那么“小”。这些较小封装的寄生电感和电容降低，可改善交流性能，但它们通常会导致更高的失调误差，因为它们的使用会增加硅芯片上的应力。幸运的是，这些更高的偏移可以通过熟练的IC设计来减少。

工艺技术的改进有助于开发更高性能、更低成本的运算放大器。较旧的运算放大器采用纯双极性工艺制造，但较新的设计可以采用多种工艺的任意组合，包括CMOS、BiCMOS或互补双极性（CB）。对于运算放大器而言，从成本角度来看，CMOS正在成为主导工艺，随着工艺技术的改进，CMOS工艺曾经引入的性能限制（即噪声）正在慢慢减少。更高性能的设备通常需要各种工艺的某种组合。

标准运算放大器经过了不同修改，以适应不同的应用。如今，设计人员必须在各种运算放大器类型中进行选择，例如精度、仪器仪表、电流检测、高速甚至音频和视频。对设备的改进已变得更加特定于应用程序。

精密运算放大器通常不提供高带宽，但失调电压和失调漂移规格通常非常出色。保证的失调电压可低至1微伏。自动归零和斩波稳定技术通过最大限度地减少失调漂移的影响，有助于在整个温度范围内保持这些规格。斩波稳定运算放大器通常在信号路径中包括一个归零（或“斩波”）放大器，用于连续校正运算放大器的固有失调电压。因此，即使在温度范围内，也可以实现出色的失调电压规格。

除了低失调电压外，较低的电源电压操作也增加了轨到轨或超轨的重要性™输入级和轨到轨输出级。轨到轨输入允许输入电压范围为负电源至正电源，超摆幅输入允许输入电压超过器件的供电轨。更重要的是，轨到轨输出保证输出摆幅在任一供电轨的毫伏以内。当试图最大化由低电压供电的运算放大器不断缩小的动态范围时，后一点非常重要。在处理1V或更低的电源电压时，输入共模范围和输出电压范围的每一位都可能变得至关重要。

高速信号处理的快速发展增加了对具有单端和差分输入的精确、高速运算放大器的需求。许多新型高速数据转换器的设计人员也关注更低的功耗和电源电压。无论IC类型如何，速度和功率始终是权衡取舍。高速运算放大器可以提供高达1GHz量级的带宽，但当较低的电源电压为器件供电时，很难实现这种性能。如今，人们可以在3V电源电压下轻松获得数百兆赫兹，但IC制造商仍在寻求将阈值推向极致。

运算放大器也正成为音频和视频应用的专用产品。与传统的精密放大器不同，音频放大器专为在可听频率范围内提供出色的动态性能而设计。音频放大器的一个新趋势是电荷泵的集成，如Maxim的DirectDrive。™放大器，允许采用单电源供电，同时无需大型隔直电容（通常属于笨重的电解类型）。采用DirectDrive技术，放大器的频率响应向下扩展到直流，从而改善了低频下的总谐波失真性能。DirectDrive 方法可降低成本和电路板空间，这对于竞争激烈的便携式音频市场具有重要优势（图 2）。

图2.具有板载电荷泵的单电源耳机放大器免除了增设笨重隔直电容的需要。

视频放大器正变得越来越专业化，集成度越来越高，可以处理各种新兴的视频应用。虽然使用双±5V电源的产品仍然存在，但大多数较新的视频放大器设计为采用单电源供电，同时仍驱动一个或两个150Ω负载。由于便携式数字视频产品市场不断增长，视频放大器已开始向较低的电源电压（如3V）迁移，这给IC设计人员带来了另一个挑战。除单电源供电外，许多视频放大器还包括用于抗混叠或DAC平滑应用的重建滤波器。一些视频放大器甚至包括黑电平或后门钳位，以消除外部偏置或箝位电路。与音频放大器一样，视频放大器也开始使用DirectDrive技术，允许放大器适应视频信号中的负同步脉冲，从而消除了对外部偏置的需求。

结论

运算放大器是模拟电路设计中最基本的构建模块之一。因此，它必须跟上快速发展的电子行业。对低功耗和更小封装的普遍需求已经激发了微功耗运算放大器的灵感，这些运算放大器采用肉眼几乎看不见的封装方式：UCSP封装。然而，运算放大器仍在不断发展。随着设计和工艺技术的稳步改进，制造商将继续创造满足行业不断增长的要求的运算放大器。

审核编辑：郭婷