如何確保系統(tǒng)設(shè)計(jì)受歡迎

        每當(dāng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)時(shí)，都必須在速度、功耗、噪聲及封裝大小等方面作出取舍以取得平衡。

        對(duì)他們來(lái)說(shuō)，現(xiàn)實(shí)是殘酷的；每當(dāng)要構(gòu)思新的設(shè)計(jì)時(shí)，他們常常要在兩個(gè)同等重要的參數(shù)之間進(jìn)行取舍。以可攜式電子產(chǎn)品而言，系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師還得面對(duì)成本壓力；因?yàn)橹挥袑a(chǎn)品價(jià)格盡量降低，才可借著價(jià)格優(yōu)勢(shì)，搶占更大的市場(chǎng)。

        工藝技術(shù)

        對(duì)設(shè)計(jì)集成電路的工程師來(lái)說(shuō)，只要擁有合適的工具，完成創(chuàng)新巧妙的電路設(shè)計(jì)并不是件艱難的任務(wù)。換言之，工程師僅有才華并不足夠，他們尚需倚賴先進(jìn)的工藝技術(shù)，才能解決無(wú)法預(yù)見的棘手問(wèn)題。

       美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體率先開發(fā)的VIP50 BiCMOS 工藝技術(shù)最適合于生產(chǎn)低功率芯片，這方面的優(yōu)勢(shì)非其它工藝所能代替。這種工藝技術(shù)的面世不僅是可攜式電子產(chǎn)品發(fā)展史上的一個(gè)里程碑，同時(shí)也代表了整個(gè)電子產(chǎn)業(yè)進(jìn)入新世代。利用VIP50工藝技術(shù)生產(chǎn)的集成電路，不僅可以確保直流電作業(yè)時(shí)的準(zhǔn)確性，而且還有超高準(zhǔn)確度、極低功耗、更高速度及較低噪聲等優(yōu)點(diǎn)。5V 的LMV651 BiCMOS 放大器便是利用這種工藝技術(shù)生產(chǎn)的其中一款產(chǎn)品，其效能之卓越簡(jiǎn)直令人難以置信。

       可滿足不同應(yīng)用的不同要求

       由于LMV651芯片具有高精度、高速、低功耗、低噪聲以及廣闊動(dòng)態(tài)范圍等優(yōu)點(diǎn)，因此可以支持多種不同的應(yīng)用，并確保不同系統(tǒng)都能充分發(fā)揮其效能。以低電壓系統(tǒng)為例來(lái)說(shuō)，放大器芯片除了必須符合低功耗的要求之外，還必須確保以低供電電壓作業(yè)時(shí)只會(huì)產(chǎn)生極輕微的壓降。此外，LMV651芯片內(nèi)建電壓擺幅極小的輸出級(jí)，若以3V電壓驅(qū)動(dòng)10kΩ，其電壓擺幅約3V電壓減去50mV，若驅(qū)動(dòng)2kΩ的負(fù)載，電壓擺幅大約只有3V電壓減去80mV。由于這款芯片的動(dòng)態(tài)范圍如此廣闊，因此最適用于低電壓的系統(tǒng)。

        此外，LMV651芯片若以交流電作業(yè)，其表現(xiàn)也非常優(yōu)異。這款芯片的電源供應(yīng)抑制率(PSRR)高達(dá)95dB，可以確?？蓴y式電子產(chǎn)品不會(huì)輕易受干擾而使電壓下降，以致放大器的輸入端出現(xiàn)錯(cuò)誤，因此最適用于以電池供電的可攜式電子產(chǎn)品。

        此外，LMV651芯片的共模抑制率(CMRR)高達(dá)100dB，只要將這款芯片搭配另外兩顆放大器，便可組建內(nèi)含3顆運(yùn)算放大器的測(cè)量?jī)x表。這是一個(gè)低功率及低成本的離散式解決方案。

        噪聲較低、封裝小巧

        從目前趨勢(shì)來(lái)看，外型輕巧纖薄的可攜式電子產(chǎn)品愈來(lái)愈受消費(fèi)者的歡迎，LMV651芯片采用超小型的SC70封裝，輸入偏移電壓只有100μV，而寬帶噪聲則只有17nV/√Hz。此外，由于LMV651芯片內(nèi)建雙極前端電路，因此中頻轉(zhuǎn)角閃爍噪聲較少。對(duì)于直流電作業(yè)準(zhǔn)確性要求較高的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這是不可忽略的重要參數(shù)。

       低噪聲與小巧封裝也有另一項(xiàng)好處，像是LMV651芯片可應(yīng)用于高密度的電路板，而且不會(huì)輕易受電路板的噪聲干擾。此外，由于封裝較小，因此這款芯片可以置于靠近饋電線路的位置，有助于縮短線路長(zhǎng)度以及減少不必要的電感。

       低功率、高頻寬

        一旦降低功率，頻寬便必然會(huì)受到影響。部分可攜式系統(tǒng)不得不采用兩個(gè)串聯(lián)一起的放大器，以便提供足夠的頻寬，以及將功耗降至不影響效能表現(xiàn)的最低水平。

       低功率放大器的應(yīng)用范圍非常廣泛，除了可攜式電子產(chǎn)品之外，工業(yè)設(shè)備如近距離感測(cè)感應(yīng)器很多時(shí)都采用低功率放大器。LMV651芯片的單位增益頻寬高達(dá)12MHz，轉(zhuǎn)換率達(dá)3V/μs，但供電電流則只需115μA，對(duì)于必須放大微弱訊號(hào)的應(yīng)用如流程控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，LMV651芯片是個(gè)理想的選擇。

       低噪聲、低失真

       LMV651芯片具有低噪聲、低失真(THD+N)及輸出電流較為理想等優(yōu)點(diǎn)，優(yōu)于其它同類的低功率芯片。這款芯片最適用于聲頻系統(tǒng)的前端電路，例如，噪聲抑制電路。由于這款芯片采用SC70封裝，因此最適用于耳機(jī)或PDA等小型的電子產(chǎn)品及系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

       高精度與低功率的結(jié)合

       系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師有很多時(shí)候得得面對(duì)以下這個(gè)問(wèn)題：系統(tǒng)若以直流電作業(yè)，芯片的準(zhǔn)確性必須不受影響；但采用交流電作業(yè)時(shí)，相關(guān)芯片又必須能夠充分發(fā)揮其效能。圖1顯示的復(fù)合放大器充分利用LMP7701的高精度特性。這款型號(hào)為L(zhǎng)MP7701的高精度放大器采用美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的VIP50工藝技術(shù)制造。LMV651芯片則置于電路的回授部分，因此芯片的輸入偏移電壓及噪聲隨著開環(huán)增益極高而減少。此外，由于整個(gè)電路的開環(huán)增益極高(兩個(gè)放大器的乘積)，因此增益錯(cuò)誤也較少。對(duì)于數(shù)據(jù)擷取等系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，減少增益錯(cuò)誤是非常重要的要件，因?yàn)檫@會(huì)是系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤訊號(hào)的主要原因。

       這款復(fù)合放大器可以充分利用LMV651芯片的較低轉(zhuǎn)換率，提供高頻寬的快速訊號(hào)處理，但總功耗仍然極低，大約只有800μA。回授電容器可以減少瞬時(shí)訊號(hào)產(chǎn)生的振鈴振蕩，確保增益穩(wěn)定(不會(huì)出現(xiàn)尖峰)。LMV651芯片的反相節(jié)點(diǎn)與回授電路之間可以在有需要時(shí)加插電容器，以便消除LMV651芯片輸入偏置電流可能會(huì)產(chǎn)生的不利影響。

       設(shè)計(jì)復(fù)合放大器時(shí)，最好預(yù)先核對(duì)其頻率及瞬時(shí)反應(yīng)，這樣做會(huì)比較穩(wěn)當(dāng)。在此可以先將100μV的微弱訊號(hào)輸入增益為100倍的復(fù)合放大器的輸入端。若供電干線附近的輸出擺幅沒有任何振鈴振蕩或過(guò)沖，即表示頻率的增益非常穩(wěn)定。

       圖2顯示該模擬電路的測(cè)試結(jié)果。相關(guān)組件的數(shù)值只適用于這次仿真測(cè)試，實(shí)際作業(yè)時(shí)，有關(guān)數(shù)字可能會(huì)有出入。圖2顯示的兩條曲線都各有40dB的增益(100)，表示可利用回授電容器消除增益尖峰。

       圖3顯示LMV651芯片輸出端的瞬時(shí)反應(yīng)(上方的曲線)，下方的曲線顯示復(fù)合放大器的轉(zhuǎn)換率為3V/μs，這個(gè)數(shù)值與LMV651芯片的轉(zhuǎn)換率一致。



圖1：低功率復(fù)合放大器。



圖2：復(fù)合放大器的頻率反應(yīng)



圖3：復(fù)合放大器的輸出及轉(zhuǎn)換率

      輕巧纖薄、攜帶方便

       毫無(wú)疑問(wèn)的是，目前整個(gè)可攜式電子產(chǎn)品市場(chǎng)以醫(yī)療設(shè)備等產(chǎn)品的增長(zhǎng)為最快。血糖監(jiān)控器、血液分析儀、助聽器及血壓監(jiān)控器都紛紛采用低成本、低功耗及封裝小巧的集成電路解決方案，確保電子產(chǎn)品更輕巧纖薄，電池續(xù)航力更長(zhǎng)。但照目前的趨勢(shì)發(fā)展，可攜式醫(yī)療設(shè)備必須采用更創(chuàng)新的設(shè)計(jì)，才可確保產(chǎn)品更方便攜帶、反應(yīng)更快。像ECG監(jiān)控器這類產(chǎn)品必須能夠迅速提供準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)字，而且必須能夠以無(wú)線方式在現(xiàn)場(chǎng)(例如救護(hù)車或事故現(xiàn)場(chǎng))將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送給負(fù)責(zé)的醫(yī)護(hù)人員。

       由于這些可攜式醫(yī)療測(cè)量設(shè)備非常靈敏，因此很易受噪聲干擾，以致造成訊號(hào)失真。LMV651芯片的中頻轉(zhuǎn)角噪聲極低，而寬帶噪聲更低至只有17nV/√Hz，比20kΩ電阻所產(chǎn)生的噪聲還少。LMV651芯片具有低噪聲及低靜態(tài)電流的優(yōu)點(diǎn)，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師可以采用較小的電阻，以便減少系統(tǒng)的噪聲，以及延長(zhǎng)電池壽命。



       圖4：可攜式ECG監(jiān)控器的簡(jiǎn)化方塊圖。