必須使用單電源運(yùn)算放大器
作者：Bonnie C. Baker，德州儀器 (TI)
關(guān)鍵字：模擬電路設(shè)計(jì)、工業(yè)應(yīng)用、醫(yī)療電子、運(yùn)算放大器、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、工程教育、物理驗(yàn)證和分析、信號(hào)完整性、設(shè)計(jì)方法

電源電壓值下降，而信號(hào)的質(zhì)量和完整性不斷提高。這種情況下，服務(wù)于一些應(yīng)用（例如：高精度、或 SAR 轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)等）的基本模擬器件都能感覺(jué)到那些難以達(dá)到較高軌至軌輸入性能的放大器不堪重負(fù)。簡(jiǎn)單的軌至軌運(yùn)算放大器 (op amp) 必須具有一個(gè)真正跨越最小失真電源的晶體管設(shè)計(jì)。在許多應(yīng)用電路中，這種要求都是沒(méi)有商量余地的。

早在 20 世紀(jì) 70 年代，單電源運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)發(fā)展趨勢(shì)便以單差動(dòng)輸入級(jí)開(kāi)始，其涵蓋了一部分共模輸入范圍。這種器件之后，運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)有了兩個(gè)差動(dòng)輸入級(jí)（互補(bǔ)輸入級(jí)），它們?cè)谡麄€(gè)放大器軌至軌共模范圍共享軌至軌輸入運(yùn)算（有一些失真）（請(qǐng)參見(jiàn)參考文獻(xiàn) 1）。這些解決方案中，沒(méi)有一個(gè)能夠產(chǎn)生一種滿(mǎn)足覆蓋放大器全共模輸入范圍所需高精度系統(tǒng)要求的放大器。

最后，集成電路設(shè)計(jì)人員借助了其他器件的技術(shù)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題?，F(xiàn)在，再平常不過(guò)的充電泵用來(lái)將放大器的一個(gè)單差動(dòng)輸入級(jí)推至正電源以上（請(qǐng)參見(jiàn)圖1）。放大器設(shè)計(jì)人員將開(kāi)關(guān)機(jī)制頻率置于放大器帶寬之上，并讓開(kāi)關(guān)噪聲維持在放大器理論噪聲底限以下。

圖 1 OPA635 和 OPA333 單電源放大器的輸入拓?fù)?/p>

那么，帶充電泵的單差動(dòng)輸入級(jí)給您帶來(lái)了什么呢？您的放大器共模抑制比 (CMRR) 有望增加 20 dB 到 30 dB。如果放大器是在某個(gè)緩沖結(jié)構(gòu)中，則這種增加便具有積極的影響。您還可以將放大器總諧波失真度降低近 10x。因此，如果您使用一個(gè)輸入級(jí)中具有充電泵的放大器來(lái)驅(qū)動(dòng)高精度 SAR 或 轉(zhuǎn)換器，您會(huì)發(fā)現(xiàn)您的系統(tǒng)性能提高了。

例如，由一個(gè)緩沖結(jié)構(gòu)運(yùn)算放大器驅(qū)動(dòng)的 ADC 的總諧波失真，等于 ADC 和運(yùn)算放大器失真貢獻(xiàn)度的方和根。這種結(jié)構(gòu)下，系統(tǒng) THD 為：
 ，其中 。
THD OPA-% 為百分比單位運(yùn)算放大器產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)的 THD 規(guī)范。

利用這些公式，如果帶互補(bǔ)輸入級(jí)的運(yùn)算放大器具有 0.004% (VIN=4 Vp–p) 的THD 規(guī)范，并且 16 位 SAR ADC 具有 –99 dB 的 THD 規(guī)范，則系統(tǒng) THD 為–88dB?；蛘?，如果運(yùn)算放大器的輸入級(jí)有一個(gè) 0.0004% (VIN=4 Vp–p)  THD 規(guī)范的充電泵（請(qǐng)參見(jiàn)圖 1），則系統(tǒng) THD 變?yōu)?–98 dB。

單電源放大器始終緊跟高精度轉(zhuǎn)換器的發(fā)展。這是通過(guò)設(shè)計(jì)許多創(chuàng)新放大器電路拓?fù)洌ɡ纾簬С潆姳玫妮斎爰?jí)）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。盡管充電泵是一種很好的權(quán)宜之計(jì)，但我們?nèi)宰非蟾碗妷旱南到y(tǒng)電源，和更高的信號(hào)完整性。我想，創(chuàng)新模擬電路設(shè)計(jì)人員終究會(huì)有一個(gè)美好的未來(lái)！