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現代專用運算放大器
 

【作者: Anthony Dimalanta】   2016年11月29日 星期二

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任何製造商的運算放大器的典型清單包含幾十個,有時是數百個元件。對電子設計人員的要求不斷演變,現今數量眾多的運算放大器顯示了它們的多元面貌。優先給定的規格總會導致其他規格的折衷。例如,高速運算放大器通常會比頻寬較低的放大器消耗更多功率。這種微妙的平衡是沒有「完美」的運算放大器存在的原因;每種應用有其自身的要求。


不難理解,過去70多年間運算放大器已然存在,而這些要求催生了諸多元件。但是,如果交叉參照一些製造商,能發現4種常見而廣泛的運算放大器類別:通用、高速、精密、低功耗。檢視這些類別可讓我們知道當今設計人員正在尋求哪一種運算放大器。


所有運算放大器的目標是在以下這些領域實現好的性能:開迴路增益、共模抑制、電源抑制。每種應用還有它的一套電源電壓和輸入及輸出動態範圍要求。在關鍵領域所增強的性能造就了高度專業化的運算放大器類別。一般而言,高速運算放大器會專注於寬的頻寬(>=50 MHz),而精密和低功耗運算放大器分別主攻低偏移(<=1 mV)和低靜態電流(< 1 mA)。通用運算放大器的性能則沒有特別強化以上三個領域。這些規格不相斥,一款運算放大器可屬於多種類別。這些專用元件是因應工程師的設計需求而產生,我們會檢視它們的用途。


高速運算放大器擁有高頻寬和快速轉換率。這些通常用來驅動高速類比–數位轉換器。這些元件如名稱所示,應用在需要極快速採樣類比訊號的地方。現代通訊系統和影音都使用高速元件。製造這些元件所採用的一些技術導致了運算放大器組成元件中電源電流的升高或元件尺寸變大。高速運算放大器往往產生更多靜態電流,但可驅動更多的輸出電流以保持高轉換率。


精密運算放大器包括低偏移電壓和低偏移溫漂的元件。這些元件採用自動歸零技術,其中一個單獨的放大器用於抵消主放大器的固有偏移。結果大量減少了偏移,從單毫伏範圍到幾十微伏或更小。許多回饋控制和功率監測系統得益於偏移電壓所降低的誤差。這項好處的代價則是自動歸零電路的消耗功率增加。許多最低偏移的放大器也使低頻寬偏向直流應用。


低功耗運算放大器源於為電子產品增加能效的要求而產生。這些運算放大器的設計始於低功耗的考慮。這也支援更小的封裝用於空間受限的設計。由於製造商技術的改進,許多低功耗運算放大器已經不用犧牲太多性能。然而,隨著功耗要求降低,權衡變得與高速運算放大器相悖:更低的靜態電流,伴隨著降低的電壓轉換速率和輸出驅動電流。


現代運算放大器的另一趨勢是這些元件中很多都不是嚴格意義上的運算放大器。過去許多外置元件的運算放大器應用現在完全整合在一個晶片上或共同封裝在一起。設計人員不再需要考慮各個元件的變化,因為現代製造使得很多性能都可以預測。當今多數的運算放大器是內部補償,也就是定義了頻率回應和增益頻寬。如我們今日所知,電流檢測、儀表、差動放大器是在運算放大器範圍內的一些應用電路。它們也往往被歸類在先前所提及的放大器類別之一。例如,電流檢測和儀表放大器通常是精密產品。


運算放大器理所當然地作為類比電子產品中的關鍵構建模組。它們仍然擔當此作用,但技術創新已使運算放大器能超越一個商品元件所具有的性能。安森美半導體的專利元件包括精密NCS325/NCS333、低功耗NCS20062/82/92、高轉換率NCS2003/NCS20072,和即將推出的電流檢測NCS210和NCS401。設計人員正不斷地尋求整合更多功能,製造商期待藉由更好的技術和設計解決這些問題,從而產生表面看似傳統,但卻是獨特、高度專業化的運算放大器產品。


(本文作者Anthony Dimalanta為安森美半導體應用工程師)


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