运算放大器的用途广泛,因为其使用规则既简单又不多。例如,同相增益vout = vin x(1+rf/ri),大约是在模拟领域中能找到的最简单指导性准则了。不过,这个等式之所以简单,是因为我们做出了一些假设,其中包括:
* 输入阻抗无穷大,输入电流为零;
* 失调电压为零;
* 噪声电压为零,噪声电流为零。
在有些应用中,这些不可实现的假设条件引起的误差是微不足道的。然而,业界需要越来越高的精确度,很多应用要求放大器越来越逼近这些理想状况。例如,高阻抗传感器和光电二极管放大器对噪声和输入偏置电流非常敏感。低功率电流检测电路则会受益于超低失调电压和轨至轨电压的工作。
尽管理想运算放大器按照定义是不可实现的,但是这种放大器却为模拟设计师们提供了一套完整的目标规范。由于每种应用都需要不同的规范组合,因此运算放大器的种类不断增多,以满足这些需求。这些运算放大器产品凭借新颖的技术越来越接近理想状况,在以更低电压和更低电流消耗工作时实现了卓越的性能。凌特公司最近推出的 3 种放大器就反映了上述趋势。
低电流和低电压工作
对电池供电的应用而言,尺寸和功耗是人们关注的主要问题。对便携式仪表内精确应用来说,低输入失调电压和低偏压漂移也很重要。在这些应用情况下,凌力尔特公司 lt6003(单路)、lt6004(双路)和 lt6005(4 路)微功率运算放大器提供了更好的选择。这个系列的放大器用 1.6v 至 16v 的电源工作,在 25℃时最大电源电流仅为 1ma,而在 -40℃至 +85℃的整个工业温度范围内最大值仅为 1.6ua。宽电源电压范围使 lt6003 系列甚至在两节 aa 电池的未稳压电源下都可以很好地工作。采用 2mm x 2mm dfn 封装的 lt6003 单路运算放大器尺寸是最小的,具有 290mv 的典型失调电压和 2uv/℃的极佳漂移性能。
图 1 lt6003 系列在压力最大的条件下加电排序时表现良好
很多轨至轨运算放大器都面临一个难题:输出接近两个轨电压时,电源电流可能上升高达 3 倍,而这种情况会在启动时发生。如果设计师不考虑这种常常未明确规定的情况,那么很多微功率放大器需要的电流就可能超过电源所能提供的电流,从而妨碍成功的加电排序。lt6003 系列采用了特殊的设计技术,以便在实现真正微功率工作的整个工作范围内良好的运作。图 1 显示了 lt6003 在对微功率运算放大器而言最坏加电条件下的表现。
cmos 运算放大器的低偏置电流
就精确放大器而言,人们长久以来一直首选双极型工艺而不是 cmos,因为双极型工艺的固有噪声较低。不过,cmos 工艺有吸引力的地方是固有的较低输入偏置电流(ib)。这是因为双极型晶体管是电流控制器件,而 mos 晶体管是电压控制器件。在具有高阻抗信号源的应用中,ib 可能是信号链中最大的单个误差源,因此偏置电流是非常重要的。
低噪声和低输入偏置电流
为了克服与 cmos 工艺有关的较高的低频噪声,可以增大晶体管面积。但是增大面积也就增大了栅极电容,从而导致 cmos 运算放大器输入电容增加。在较高频率时,非零输入电容引起输入阻抗下降。运算放大器的噪声增益由 vout="vnoise"×(1+zf/zi) 决定,其中 zi 包括放大器的输入阻抗以及分立输入电阻。大输入电阻的放大器也许具有低噪声,但是大输入电容在较高频率时导致高噪声。我们只能在 1/f 噪声的降低和输出端宽带噪声的增加之间做出权衡。
图 2 输入电容消除技术能够实现低的输入噪声并保持低的高频噪声
ltc6240/1/2 (单路/双路/四路)具有非常大的输入电阻,可将 1/f 噪声降至仅为 550nvp-p,这一数字比得上良好的低噪声双极型放大器。人们可能会想,这么大的输入结构会产生大的输入电容,但是 ltc6240 系列采用了创新性的电容消除技术,从而使总的输入电容仅为 3.5pf,这一数字仅为同类 cmos 运算放大器的 1/3。图 2 对这种设计方法和没有采用电容消除电路的竞争对手的低噪声 cmos 运算放大器进行了比较,说明了这种设计方法的优点。ltc6241 卓越的性能、比得上良好双极型放大器的噪声、以及 1pa 偏置电流,极大地提高了低噪声、光电二极管放大器和高阻抗传感器应用的性能。
随着 ltc6244 的推出,凌力尔特公司低噪声 cmos 放大器系列扩展了高频应用领域。这种50mhz放大器保持 5.6pf 的总输入电容,以实现低噪声增益,以及卓越的 dc 输入性能。在很多宽带传感器调理应用中,这样的性能是非常重要的。音纳接收器、线性可变差分变压器(lvdt) 等高阻抗传感器需要低输入偏置电流和低噪声。 低失调和低输入偏置电流
ltc6078/9(双路/四路)采用创新性微调电路,产生最大仅为 25mv 的 vos 和0.7mv/℃的 vos 漂移。这样的 vos 性能与一些斩波器稳定型放大器和最好的双极型放大器一样好,该器件在