原创 运算放大器设计与应用—电子工程师必备手册(下)6

28.运放输入为零，输出问题

问：

我用HA17741和LM358两个芯片正负输入引脚都接地，但输出却是和+VCC，-VEE相当的电压。

答：

这是失调电压引起的。运放的两个输入端同时接地时，不管其他引脚如何连接，运放处于开环全增益状态。随便拿一个运放举例：LM358 开环增益100K输入失调电压3mV，开环输出失调理论上可达300V之多，当然由于正负电源的限制，只能到电源电压。而失调电压在差分输入的两个输入端不一定哪一端是正的，所以可能输出正电源电压，也可能是负电源电压。再说这样大的增益即使输入失调电压为 0，也会产生振荡或干扰。所以任何运放不可以在开环下工作或测试，即使测试开环增益 /输入失调这些参数，也是连成反馈放大器换算出来的。

29.如何放大阶梯波电流

问：

请教各位是否有做过阶梯波电流放大的电路，是如何实现的？在此深表感谢！

答：

典型的阶梯波电流的产生与应用，常见于晶体管特性曲线图示仪（通常：1uA/阶--1A/阶）。一般的实现思路是：用标准电压阶梯波信号驱动跨导放大器（K=Io/Vi）。由此，可先将小幅度阶梯波电流通过标准电阻转换成电压阶梯波信号，再经由跨导放大器获得希望幅度的阶梯波电流（Ii*R*K）。可参见JT-I、QT-2、TEK-576、TEK-577-1等产品的图纸。30.积分电路中选择放大器的原则。

问：

在高精度积分电路中选用放大器，是考虑失调电压还是失调电??我认为应该优先考虑失调电流。现在我选用的是AD的OP4177，失调电流为0.5nA，在没有输入的情况下，会有积分现象发生。我想选用一个低失调电流的，不知道可不可行？

当没有输入时，积分电路出现或正斜率或付斜率的斜坡电压？

答：

总的来说，应选用偏置电流小的，在积分电路正确构造（比如对电压反相端积分，则同相端应该是R-C串联， R、C取值与反相端所接输入电阻、积分电容相等）的前提下，则用考虑失调电流来定量考虑，但需要计算每个输入端是否因为偏置电流在电容上造成的电压超过了共模范围。积分器不可能一直对平均值不为 0的信号（偏置电流就是）进行无限积分，需要或者加上直流负反馈，或者只工作在断续状态（积分 -放电交替进行）。0.1na的偏置电流不小，应根据情况据丁是否选用更低的。目前 1pA以下的运放很多，价格也不贵。

二、四类运算放大器的技术发展趋势及其应用热点

运算放大器历经数十年的发展，从早期的真空管演变为现在的集成电路，根据不同的应用需求主要分化出通用型、低电压/低功耗型、高速型、高精度型四大类运放产品。一般而言，高速运放主要用于通信设备、视频系统以及测试与测量仪表等产品；低电压/低功耗运放主要面向手机、PDA等以电池供电的便携式电子产品；高精度运放主要针对测试测量仪表、汽车电子以及工业控制系统等。通用运算放大器应用最广，几乎任何需要添加简单信号增益或信号调理功能的电子系统都可采用通用运放。

近年来消费电子、通讯、网络等应用领域的发展对运放产品也提出新的技术要求，更低功耗、更小封装以及良好的匹配性能都变得十分重要。为此，设计人员在设计方法上加创新，制造工艺与封装技术的进步也为提升运放性能提供了一定的保证。在多方因素推动下，下一代运算放大器正朝着速度更快、集成度更高、价格更低的方向发展。

从市场需求的角度看，全球对放大器的需求都保持强势增长。中国市场也不例外，尤其在消费和通讯领域。凌特公司信号调理产品线总经理Erik Soule表示，“通讯和网络基础设备市场已经开始复苏，未来几年这类设备在中国会有很大增长。而这些应用都需要高速ADC驱动器，以及低噪声、低输入偏压运放等产品。”

ADI公司产品线经理Curt Ventola认为，未来放大器市场增长的驱动力主要有三方面：其一，便携式应用的低功耗要求将推动具有低操作电源电压/电流的放大器增长；其二，高分辨率应用需要能降低噪声和失真度的放大器；其三，由于性能和价格压力持续上扬，因此能够集成其他功能的放大器前景乐观。

意法半导体公司(ST)亚太区标准线性IC产品行销经理Leon LEE也指出，测试和测量、通讯、医疗影像等领域的先进应用是提升放大器性能的主要驱动力；DSL和消费类视频应用是最大的市场，而且未来将继续此趋势。其中，DSL运放的增长点主要在于线路驱动器。而整合了滤波、多路技术以及DC恢复等功能的消费类视频放大器也被看好。

市场调查公司Databean资料显示，高速、低电压/低功耗、高精度三类运算放大器的市场预计在未来的五年会稳步增长，年复合增长率分别达到13%、8%及11%，通用运算放大器的年复合增长率预计为5%。

从应用的角度讲，不同的系统对运放有不同要求，选择合适的运放对于系统设计至关重要。对于通信、高速测量仪表及超声波设备等高速应用，交流特性极为重要。但对于低速的高精度系统，直流方面的特性则通常更为重要。衡量系统在交流特性方面的参数有信号带宽、失真率、噪声等；而衡量系统在直流特性方面的参数有输入补偿电压、开环增益、输入偏置电流及共模抑制比等。

本文将从应用需求、技术特点和工艺封装等方面探讨这四类运放的技术发展趋势和应用热点。

通讯和视频应用使高速运放成为焦点

高速运放泛指频宽高于50MHz的运放，而现在为了与信号链后端组件(例如高速ADC或处理器)的需求相匹配，运放的频宽记录已突破GHz。这主要源于后端组件的效能近年来显著提升，因而位居信号链前端的运放为了与后端组件相匹配，以避免拖累信号链的整体效能表现，于是开始向高速化发展，未来高速运放可能跃升为主流运放产品。

据DataBean预测，高速运放将逐渐侵占其它运放产品的市场占有率。以出货金额计，到2009年，高速运放占整体运放市场规模的比重将达到三成，而通用型运放则下降到两成以下。

Intersil公司模拟信号处理部行销副总裁Simon Prutton指出，驱动高速运放市场增长的主要应用是模拟视频处理和传送以及通讯系统。而且，伴随更高的分辨率显示和射频频谱的有效使用，这两种应用在未来将会给设计人员提出新的挑战。意法半导体公司亚太区标准线性IC产品行销经理Leon LEE也表示，由于蜂窝电话、数码相机、DVD/TV和多媒体应用的驱动，视频放大器等高速运放将大幅增长。

总体而言，高速运放主要应用在xDSL调制解调器、机顶盒以及视频系统中，或是担任高速ADC的前级信号调整角色。这类运放对于信噪比和失真度的要求最为严格，因此半导体厂商在设计这种运放时，普遍采用差动输出的形式。

与传统采用“二入一出”架构的运放相比，“二进二出”的差动输出由于同时输出两个反相的信号，因此系统工程师可以通过两个信号的比较得知输出信号在未受噪声或失真影响前的波形，从而使设计工程师可以及时解决信号链上可能出现的问题。

例如ADI公司最新推出的高速运放AD8045，该器件具有易用的电压反馈结构、归一化增益稳定性，以及专为高性能系统而优化的引脚输出。器件速度达到1GHz，并具有低噪声和低失真等特性，适用于多种高速应用，包括医疗设备、自动测试设备以及数据采集系统。

针对高速视频和监控应用，Intersil公布一款三放大器EL5367，它采用专有的定制结构来隔离其三个放大器，该器件打破了1GHz的速率极限。EL5367的总供电电流仅25mA，可在5V至12V的单供电电压范围内工作，能够驱动高于QXGA(2048×1536象素)的分辨率应用。

典型的视频驱动架构采用交流耦合或直流耦合方案。采用交流耦合的系统需要大的外部电容，但不需负电源轨。采用支流耦合的系统不需要昂贵的大外部电容，但需要负电源轨。Intersil的视频放大器ISL59830则是在芯片上生成负电源轨并允许视频信号的直流耦合，能用单独 3.3V电源供电。而凌特的LT6555/6是 2:1多路复用三通道视频放大器，适于LCD投影仪和高清晰度视频应用。便携式应用催生低电压/低功耗运算放大器

随着手机、PMP等依赖电池供电的便携式产品出现，强调低功耗、低电压的运放应运而生。一般定义下的低电压运放，指工作电压低于2.5伏特，而所谓的低功耗运放，通常指供电电流低于1mA。这类运放大多用在音频系统或是电压比较电路、滤波器等不需要太高频宽的应用。

此外，在测试、测量和医疗系统，工程师也希望在低功耗水平下获得改进的性能(例如，更高的带宽、更快的转换率和更低的失真度)，所以在这些领域低功耗运放也有创新机会。

针对便携式视频应用，ADI公司推出ADA4850-X系列放大器，能提供轨至轨(R-R)输出特性，工作电源电压低于2.7V。该产品可大幅降低失效电流，能够延长便携式视频应用的电池寿命。

此外，ADI的6通道视频放大器ADA4410-6还整合了视频滤波器，是一种单芯片解决方案。该产品能够节省50%的功耗同时具有高可靠性。能使用户获得具有最佳高清晰度视频影像质量的低成本方案。

美信的低成本、低功耗、高端功率/电流监视器MAX4210/MAX4211，提供与负载功耗成正比的模拟输出电压，负载功耗用负载电流乘以源极电压计算。MAX4210/MAX4211利用高端电流检测放大器来测量负载电流，由于不影响负载的接地通道，因而尤其适合电池供电系统。

测试测量等应用推进高精度运放发展

高精度运放一般指失调电压低于1mv的运放。与低电压/低功耗运放不同，这类产品由于对信号精准度的要求极高，如果将这类运放整合到后端芯片中形成SoC，其它电路的噪声将严重干扰此类运放的正常运作，因此就现阶段的技术来看，这类运放将是最不容易被整合的组件。高精度运放可用于工业自动化、医疗器材、量测仪器、汽车电子、甚至军事国防等不同领域。

不同的应用对放大器提出不同的技术要求。美信公司多媒体业务部应用工程师 Prashanth Holenarsipur指出，用户在寻求理想的运放，他们希望获得针对特殊应用的附加特性，以及极小的封装和低电源电流，多种需求为制造精密运放带来挑战。

Intersil的EL8176 和 EL8178可实现100微伏的最大输入补偿电压，而达到这点只需75毫安的电流，并能获得700 kHz的增益带宽。

凌特推出的LT1994是3V和5V电源供电的高性能全差分运放，能提供16位精度，可驱动高分辨率模数转换器。该器件在电压低至 2.375V时仍保证工作，并具有轨至轨输出，无需负电源就可直接驱动2.5V和3V的SAR ADC。

凌特的Erik Soule介绍说:“由于模数转换器向更低电压、单电源和高性能发展，因此需要能够于不降低性能的前提下在共模电源轨上工作的差分放大器。LT1994 满足了这种需求，为客户提供了能够驱动16位ADC的单电源解决方案。

”

此外，凌特还发布了两款高电压(105V)电流检测放大器。其中LTC6101采用小型SOT封装，具有1uS的快速响应时间和高精度；LT6100结合高精度和管脚配置的特性，不需外部增益设置电阻。

通用运放在传统应用领域仍有发展空间

虽然随着应用需求不断变更，运放供货商必须顺应市场变化推出相应的新产品。然而因为运放在业界已被广泛采用数十年之久，有些应用产品的生命周期也长达十多年，因此很多传统产品仍有其一定的市场需求，例如在汽车与工业自动化领域，就有很多设备还是需要用到传统的通用运放。

通用运放对工程师而言，可以说是最常用的半导体组件之一。通过外部电阻的不同配置，一颗运放可以对输入信号进行各种微调后再输出，以符合信号链后端的

ADC、电源管理芯片等组件的输入信号要求。正因为其简单易用的特性，再加上极为经济实惠的价格，因而使得这类放大器始终在出货量上稳居运放市场的主流地位。

然而，为顺应PCB板尺寸不断缩水，以及制造工艺发展所造成的输入电压下降的趋势，通用型运放也必须革新应变。例如凌特推出的LT1990/1/2/5/6放大器，就集成了精度匹配电阻，不同型号按照高精度、高速度或高电压应用进行优化，可用作反相、非反相或差分放大器连接。

综上所述，未来高速运放有望取代通用运放成为主流产品，但从整体看，各类运放的市场规模都将呈现增长态势。便携式音频/视频播放器、无线通讯、医疗成像、工业和仪器仪表等应用领域都将为下一代运放创造新的机会。

制造工艺与封装技术进步提升运放性能

新应用对运放提出诸如高速、低功耗、高集成度等新的技术要求。为此，设计人员不断探索新的设计方法，但只从设计着手不足以实现具有竞争力的产品，只有配合适当的制造工艺和封装技术才能将不断优化产品性能，适应新的应用需求。美国国家半导体(NSC)亚太区放大器产品市场经理胡国佳指出，“运放产品的竞争力其实是电路设计、制造工艺技术、封装技术三者的函数，少了任何一个环节，都无法在市场上推出具有竞争力的产品。”