戰(zhàn)地黃花分外香――競爭與繁榮的傳統(tǒng)產(chǎn)品運放

高精度運算放大器的對應(yīng)用工程意義明了、毋庸贅敘，其設(shè)計工程的挑戰(zhàn)則比較特別；高精度運放設(shè)計是專利集中的領(lǐng)域，很多電路方案和布線方案受到保護(hù)；新設(shè)計要在保護(hù)和利用的原則下創(chuàng)新。圣邦的高精度運放產(chǎn)品設(shè)計是業(yè)內(nèi)最新數(shù)據(jù)模型和部分創(chuàng)新的結(jié)合。

與在高精度測量放大系統(tǒng)中方案靈活多變不同，例如相關(guān)雙采樣方案2、斬波調(diào)制放大方案3和斬波跟蹤方案4等等，高精度運算放大器的實現(xiàn)方案局限于精密跟蹤補(bǔ)償和交替自穩(wěn)零兩類基礎(chǔ)方案。

參考圖5，交替自穩(wěn)零方案的原理與斬波跟蹤放大器類似。信號通道上的第一級被分為兩個幾何分布完全一致的兩組；除了切換瞬間，總有一組在通過信號，保證了信號是被近似連續(xù)傳送和放大的；自穩(wěn)零校準(zhǔn)則是交替進(jìn)行的。不在傳遞信號的一組的失調(diào)被饋入調(diào)零通道，調(diào)節(jié)偏置使失調(diào)為零。

高電壓運算放大器

在工業(yè)現(xiàn)場或者類似惡劣條件的場合，采用可直接工作在較高電壓的運放有利于提高可用率和瘸行力5。只是提高工作電壓對設(shè)計容限的改進(jìn)是有限的；事實上大多數(shù)早期的雙極型運放可以工作在較高電壓下，但是不能在低電壓下工作。現(xiàn)代意義下的高壓運放需要的高適應(yīng)性包括大動態(tài)工作電壓范圍，滿幅輸入/輸出，抗高共模/差模和具備短期過壓寬限。以SGM8291為例，其工作電壓范圍是4.5V~36V，共模和差模均輸入允許到電源電壓，電源短期過壓可超過40V。

現(xiàn)代意義下的高壓運放是一個較新的運放品種，例如TI也只是在近期開始推廣其OPA171系列的高壓運放。這些高壓運放全部具有大動態(tài)、低電流的特點，以JFET或CMOS作為輸入，普遍采用BCD混合結(jié)構(gòu)；其特性優(yōu)勢是雙極型高壓運放無法抗類比的。高壓運放的結(jié)構(gòu)與低壓運放的結(jié)構(gòu)不同，如輸入節(jié)要在大得多的共模電壓范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的失調(diào)電壓，輸出節(jié)要承受大的柵-漏(或基-集)電壓。SGM8291在全電壓范圍內(nèi)失調(diào)不超過0.9mV并允許輸出長期短路。

圖6用來解釋如何實現(xiàn)這些特性所需要的結(jié)構(gòu)差異的一個示意方案(此示意并不暗示圣邦使用了這一結(jié)構(gòu))。其中CC1~CC3恒流源需要利用雙極型的本征恒流特性穩(wěn)定輸入差分對的偏置；A采用CMOS取得高增益；T1、T2采用DMOS實現(xiàn)高耐壓。低壓運放不需要這些組合。

開發(fā)高壓運放、完善工業(yè)產(chǎn)品鏈的社會意義大于開發(fā)者的直接經(jīng)濟(jì)意義，是圣邦實力和自信的體現(xiàn)。盡管高壓運放對工業(yè)應(yīng)用來講是不可或缺的，實際其應(yīng)用空間被低壓結(jié)構(gòu)系統(tǒng)不斷擠占。其一是因為在大多系統(tǒng)中信號最終被饋送到或者最初來自低壓的數(shù)字處理電路，低壓系統(tǒng)已具備系統(tǒng)級高設(shè)計容限；其二是外圍電路改進(jìn)可利用低壓電路取得類似高壓器件的容限6，分享低壓元件選擇性大、供應(yīng)量好和價格低的紅利。但是有些應(yīng)用場景注定需要高壓運放，圖7示意了在輸入側(cè)和輸出側(cè)適合使用高壓運放的若干情況。

戰(zhàn)地黃花分外香

半導(dǎo)體集成運算放大器從60年代開發(fā)面市，歷經(jīng)半百滄桑到今天還能見到不斷有新的產(chǎn)品推出1，見證了人類對自然深入探究和提升自我的不斷追求。近些年國內(nèi)出現(xiàn)了若干家像圣邦一樣以模擬集成電路開發(fā)推廣為主要業(yè)務(wù)的新半導(dǎo)體公司，對拓展應(yīng)用和推動市場競爭做出貢獻(xiàn)；本文介紹的圣邦公司產(chǎn)品的特性、特性全部都已經(jīng)與已知高性能產(chǎn)品的規(guī)格齊平。在成熟的應(yīng)用中，包括運放在內(nèi)模擬電路被越來越多地集成到了單片系統(tǒng)中，同時隨著認(rèn)識的深入和處理能力的加強(qiáng)、也不斷有新的要求需要新的產(chǎn)品來滿足。新產(chǎn)品和被集成、超越和被超越是同樣的進(jìn)步，是發(fā)展和繼續(xù)。

感謝圣邦CEO張世龍博士的審閱和許可談?wù)摴镜男庐a(chǎn)品及其重要應(yīng)用。圣邦高級應(yīng)用專家姚若亞博士也全文審閱了此文并對低功耗應(yīng)用的闡述提供了重要意見。

1局部線性的限幅放大器具有最好的確定性抖動特性。除了本身就有兩級導(dǎo)致確定性抖動外，內(nèi)置滯回的比較器前級導(dǎo)致額外的抖動，而無滯回的抖動更與輸入信號變化速率有關(guān)。

2即在時間或空間采集兩個噪聲/干擾相關(guān)、信號不同的數(shù)據(jù)，用其中的相關(guān)部分消除噪聲/干擾的方案。

3利用斬波調(diào)制把低頻信號變成特定頻率范圍內(nèi)的高頻信號，進(jìn)行濾波放大后，測量高頻信號、反推到被調(diào)制低頻信號的測量方案。

4利用同時倒換信號相和放大通道的相，使信號保持不換相、干擾和噪聲被換相對消的測量方按。

5可用率即設(shè)備可維持有效運行的時間比率；瘸行能力即部分喪失工作條件時仍能維持一定工作的能力，與系統(tǒng)的設(shè)計容限有關(guān)。

6例如利用分壓器和電源保護(hù)性自舉浮動，可承受高電壓和耐受短時間過壓。

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