運算放大器是模擬電路設計中的基本構建模塊，將更小的尺寸和更高的性能相結合一直是理想的目標。本應用筆記重點介紹了運算放大器的發展方向，以及需要權衡取舍的問題。

介紹

在當今不斷增長的電子設備市場中，對更高性能的運算放大器的需求不斷。更高的帶寬、更低的功耗和更高的精度是新產品所需的一些主要參數。然而，盡管這些規格有所改進，但理想的運算放大器仍然是一個神話;運算放大器設計仍然是一個權衡取舍的游戲。幸運的是，大多數應用程序都有一個比其他參數更關鍵的參數，并且可以達成妥協。目標不是創建理想的運算放大器，而是為特定應用創建最佳運算放大器。

針對不同應用優化運算放大器

隨著電池供電產品的增加，對功耗更低的運算放大器的需求也越來越大。這些便攜式應用中使用的運算放大器通常必須采用較低（通常是單）的正電源電壓工作，同時消耗較少的電流。客戶對低電流消耗的需求給設計人員帶來了相當大的挑戰，因為一些運算放大器需要以更高的頻率或更低的噪聲工作，盡管必須消耗較少的電流。

隨著這些便攜式設備的縮小，電路板空間成為一個重要因素。因此，對更小封裝的需求增加。較舊、更流行的表面貼裝封裝之一是小外形 （SO） 封裝，與一些較新的封裝（如 SOT23、SC70）甚至微型芯片級封裝（如 UCSP）相比，它并不那么“小”。這些較小封裝的寄生電感和電容降低，可改善交流性能，但它們通常會導致更高的失調誤差，因為它們的使用會增加硅芯片上的應力。幸運的是，這些更高的偏移可以通過熟練的IC設計來減少。

工藝技術的改進有助于開發更高性能、更低成本的運算放大器。較舊的運算放大器采用純雙極性工藝制造，但較新的設計可以采用多種工藝的任意組合，包括CMOS、BiCMOS或互補雙極性（CB）。對于運算放大器而言，從成本角度來看，CMOS正在成為主導工藝，隨著工藝技術的改進，CMOS工藝曾經引入的性能限制（即噪聲）正在慢慢減少。更高性能的設備通常需要各種工藝的某種組合。

標準運算放大器經過了不同修改，以適應不同的應用。如今，設計人員必須在各種運算放大器類型中進行選擇，例如精度、儀器儀表、電流檢測、高速甚至音頻和視頻。對設備的改進已變得更加特定于應用程序。

精密運算放大器通常不提供高帶寬，但失調電壓和失調漂移規格通常非常出色。保證的失調電壓可低至1微伏。自動歸零和斬波穩定技術通過最大限度地減少失調漂移的影響，有助于在整個溫度范圍內保持這些規格。斬波穩定運算放大器通常在信號路徑中包括一個歸零（或“斬波”）放大器，用于連續校正運算放大器的固有失調電壓。因此，即使在溫度范圍內，也可以實現出色的失調電壓規格。

除了低失調電壓外，較低的電源電壓操作也增加了軌到軌或超軌的重要性?輸入級和軌到軌輸出級。軌到軌輸入允許輸入電壓范圍為負電源至正電源，超擺幅輸入允許輸入電壓超過器件的供電軌。更重要的是，軌到軌輸出保證輸出擺幅在任一供電軌的毫伏以內。當試圖最大化由低電壓供電的運算放大器不斷縮小的動態范圍時，后一點非常重要。在處理1V或更低的電源電壓時，輸入共模范圍和輸出電壓范圍的每一位都可能變得至關重要。

高速信號處理的快速發展增加了對具有單端和差分輸入的精確、高速運算放大器的需求。許多新型高速數據轉換器的設計人員也關注更低的功耗和電源電壓。無論IC類型如何，速度和功率始終是權衡取舍。高速運算放大器可以提供高達1GHz量級的帶寬，但當較低的電源電壓為器件供電時，很難實現這種性能。如今，人們可以在3V電源電壓下輕松獲得數百兆赫茲，但IC制造商仍在尋求將閾值推向極致。

運算放大器也正成為音頻和視頻應用的專用產品。與傳統的精密放大器不同，音頻放大器專為在可聽頻率范圍內提供出色的動態性能而設計。音頻放大器的一個新趨勢是電荷泵的集成，如Maxim的DirectDrive。?放大器，允許采用單電源供電，同時無需大型隔直電容（通常屬于笨重的電解類型）。采用DirectDrive技術，放大器的頻率響應向下擴展到直流，從而改善了低頻下的總諧波失真性能。DirectDrive 方法可降低成本和電路板空間，這對于競爭激烈的便攜式音頻市場具有重要優勢（圖 2）。

圖2.具有板載電荷泵的單電源耳機放大器免除了增設笨重隔直電容的需要。

視頻放大器正變得越來越專業化，集成度越來越高，可以處理各種新興的視頻應用。雖然使用雙±5V電源的產品仍然存在，但大多數較新的視頻放大器設計為采用單電源供電，同時仍驅動一個或兩個150Ω負載。由于便攜式數字視頻產品市場不斷增長，視頻放大器已開始向較低的電源電壓（如3V）遷移，這給IC設計人員帶來了另一個挑戰。除單電源供電外，許多視頻放大器還包括用于抗混疊或DAC平滑應用的重建濾波器。一些視頻放大器甚至包括黑電平或后門鉗位，以消除外部偏置或箝位電路。與音頻放大器一樣，視頻放大器也開始使用DirectDrive技術，允許放大器適應視頻信號中的負同步脈沖，從而消除了對外部偏置的需求。

結論

運算放大器是模擬電路設計中最基本的構建模塊之一。因此，它必須跟上快速發展的電子行業。對低功耗和更小封裝的普遍需求已經激發了微功耗運算放大器的靈感，這些運算放大器采用肉眼幾乎看不見的封裝方式：UCSP封裝。然而，運算放大器仍在不斷發展。隨著設計和工藝技術的穩步改進，制造商將繼續創造滿足行業不斷增長的要求的運算放大器。

審核編輯：郭婷