编者语：运算放大器在支持新技术方面扮演着非常重要的角色。而伴随着应用需求的演进，新应用对运算放大器提出了更高的要求，例如更高的精度、更高的带宽、更低的失真等等。为此，工程师们正通过创造新的运放架构，不断地改善运算放大器的性能，满足各类新应用的需求。
运算放大器可以算得上是一个“古老”的模拟类半导体产品了。从1963年发明至今，它已经走过了40多年的发展道路，几乎被应用到所有的应用领域。从消费类、通信、工业再到汽车，几乎每个电子系统产品中都离不开运算放大器。
近年来，在一些应用领域运算放大器被集成到系统级芯片中。例如在手机中，它被集成到了PMU(电源管理单元)中，但对于每个新应用来说，仍然需要运算放大器。“新应用对运算放大器提出了更高的性能要求。”ADI公司高速信号处理产品线总监DavidRobertson先生对《中国电子报》记者说，“这就是为什么我们会看到，虽然运算放大器可能只包含100多个晶体管，但工程师们仍然每天都在对它们进行重新布置和设计，以获得精度更高、带宽更宽、动态范围更大的运算放大器。”今年，在运算放大器领域也有多个亮点，其中PLC(电力载波通信)应用的放大器，仪表应用的高精度放大器和医疗电子应用的多通道、高集成度运算放大器是其中的几大热点。
高驱动运放用于PLC
电力载波通信是今年中国应用市场的热点，运算放大器也进入了这个热点应用市场。电力载波通信是一类高频应用，过去，设计工程师采用分立器件(例如场效应晶体管)对信号进行放大。但分立器件在这类应用中的劣势非常明显，它们一致性差，还需要工程师做大量的调试工作。现在，电力载波通信的设计工程师采用带有功率驱动的运算放大器来进行信号的放大，不仅能够实现比较大的放大级别，例如从几十毫安培的电流放大到1安培，而且避免了分立器件一致性差、调试工作多的问题。很多模拟半导体公司，如Intersil、ADI、德州仪器等都推出了适合电力载波通信应用的运算放大器产品。
“电力载波通信和DSL（数字用户线路）应用一样，对运算放大器提出了特别高的要求，例如，信号放大的级别要很高，失真要非常低，带宽要非常宽，驱动电流要很大，隔离要做得很好，电压也要很高。”Intersil公司的运算放大器专家MikeWong对《中国电子报》记者说，“要满足这么多性能上的要求，是有一定的难度的。”Intersil设计出一个新的运算放大器架构——— 电流反馈架构，该架构的转换效率高、速度快，非常适合电力载波通信的要求。采用该架构的ISL1557最大的特点是在单电源供电(4.5V到12V)、供电电流仅为6mA的情况下，具有高达750mA的驱动能力。针对这类应用，德州仪器推出了OPA546，它具备1.5A输出能力，GBW（单位增益带宽）可达17MHz；同时德州仪器还推出了其他高压大电流驱动能力的放大器，如OPA56x等。
高精度运放采用新架构
工业、仪器仪表、医疗电子等应用对放大器的准确性有极高的要求，它们要求放大器的失真要低。为了提高精度，模拟半导体企业正在推出新的运算放大器架构。
美信公司推出了间接电流反馈架构。这种新架构与老式架构相比，在输入级消除了共模电压，增益级仅对消除共模电压后的信号进行放大，增益级由电阻R1、R2设置(为提高精度，两个电阻可以放在芯片内部或放大器外部)。美信的MAX4462和MAX4209采用了这种间接电流反馈结构。这些器件的优势包括：输入共模电压范围扩展到地电位，无需考虑增益设置；允许2.85V至5.5V单电源供电；增益由ppm值一致的电阻设置，整个温度范围内保持极高的增益精度；可选择内部零漂移缓冲器，在整个温度范围内提供精密基准；采用小型TDFN和SOT23封装。
针对高精度要求，Intersil则设计了Switchcapacitor(交换电容)的运算放大器新架构。在这种运算放大器架构中，采用斩波稳定技术(chopperstabilized)对偏置电压进行补偿。该架构的优势是高增益精度、零漂移、低偏置电压以及低1/f噪声。Intersil在今年初已经推出了采用该架构的低电压系列运算放大器ISL28133，适合医疗设备、手持仪表以及数据业务等的应用，该器件为5V单电源供电。该公司计划在今年底推出采用该架构并适合工业应用的高电压系列产品。
医疗电子产品集成度提高
近两年，医疗电子在国内市场也是热点应用领域。医疗电子领域的多种应用为运算放大器提出了不同的需求。例如，超声系统需要噪音非常低、放大倍数高的运算放大器；血糖仪等便携医疗电子设备需要偏置电流非常低、供电电压低、失真低、成本低、尺寸小的运算放大器；CT等大型复杂的影像设备需要通道数多、噪声低、放大倍数高的运算放大器；而对于心电图仪这种有人体共模干扰的设备，需要共模抑制比高、噪声低的运算放大器。
“在医疗电子领域，横向集成和纵向集成的趋势非常明显。”ADI公司大中华区工业及医疗资深业务经理周文胜对《中国电子报》记者说，“其中横向集成是指运算放大器多通道的集成，纵向集成则是指运算放大器与处理器、滤波器以及ADC（模拟数字转换器）等的集成。”他进一步介绍说，像CT这样的大型设备，通道数非常多，有上万个甚至好几万个通道，以前采用分立器件或是8通道、16通道的放大器进行信号的放大。根据CT的特点，ADI推出了具有128个通道的运算放大器AS1128。这就是一个横向集成的例子。“一般运算放大器只有2个通道、4个通道或8个通道。”周文胜说，“集成这么多的通道，这些通道要处理非常敏感的小信号，还要解决通道之间的串扰，这些都很有挑战性。”而ADI推出的AD927X低噪声放大器，集成了运算放大器、滤波器、 ADC等，纵向集成的趋势非常明显。
周文胜表示，虽然目前在运算放大器市场，应用最多的是通用产品，但在一些已经相对成熟、客户需求趋于一致的市场，运算放大器也呈现提高集成度、成为专用芯片的趋势。Intersil的专家MikeWong也表示，如今，将增益调节、多路输入等功能集成到放大器上已经是一个趋势。
此外，针对低功耗便携医疗电子设备，要求低电压输入的应用，例如，供电电压可能降低到1.2V，要扩大其动态范围，这也是一个高难度的工作。目前，厂商也采用了很多方法来扩大动态范围。“我们在放大器内部有一个Chargepump(充电泵)，它在放大器内部形成一个很高的电压，给放大器供电。”MikeWong说，“这样，输入和输出将实现大摆幅的特性。”
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