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近乎万能的运算放大器只是神话?

时间:2019-11-22 作者:Barrie Gilbert,ADI研究员、IEEE院士 阅读:
运算放大器无处不在,它源于模拟计算机时代,有着悠久的历史,现在已经成为模拟电子领域的标志性产品。为什么运算放大器如此受欢迎?未来哪些产品可能取代运算放大器?
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几年前,我曾经代表ADI前往米兰参加一场研讨会,但在从斯德哥尔摩飞往米兰的航段,我的行李遗失了。我穿着在意大利新买的衣服,没有幻灯片可展示,尴尬地面对众多付费观众。我向他们保证,等到午餐之后事情应该就会顺利解决了,因此决定只跟他们谈谈“运算放大器”(op amp),介绍一下这些组件本身的限制,让大家对这些“知名”的放大器有更深入的了解。有人递给我几张白纸和一支黑色马克笔,我们于是开始探索这片“未知水域”。EEUEETC-电子工程专辑

我首先问:“谁用过运算放大器?”差不多每个人都举起了手,很多人带着一丝苦笑,其中混杂着自信地笑声。然后我接着问:“为什么要用放大器?”大厅里顿时鸦雀无声,笑容似乎也在瞬间凝结了。过了几秒后,有人试着回答:“因为有许多的运算放大器可供选择。”我承认,的确是这样。另一个人回答说:“它们很便宜!”这也没错,这些运算放大器在解决目前的问题时具有极好的价值。最后,有些人鼓起勇气说:“它们有很高的增益!”这才是我想要的答案!因为在几乎所有的运算放大器应用中,这句话看似并不正确,事实上,这却是对于运算放大器的一种“迷思”(myth)。现在让我们来谈谈这个问题吧!EEUEETC-电子工程专辑

“运算放大器”无处不在,它源于模拟计算机时代,不仅有着悠久的历史,如今也已经成为模拟电子领域的经典象征。它的名字是如此地平凡,让我们很少静下心来思考它所代表的含义,更不会想到它还有一款相对的组件称为“非运算放大器”(non-op amp)。“非运算放大器”顾名思义即“不进行运算的放大器”。可能有许多放大器并不像其他一样基于“运算放大器典范”,而是从单个晶体管单元开始——这些晶体管在某些专用领域的性能可能优于运算放大器,例如适合射频(RF)应用的低噪声放大器(LNA),并且包括一些基本的变体,例如电流反馈和主动反馈组件。EEUEETC-电子工程专辑

本文先提出一个问题:“为什么运算放大器如此受欢迎?”随后将探讨如果不透彻了解无处不在的运算放大器,可能导致哪些鲜为人知的问题。未来,我还将在后续文章中探讨未来几年可能取代运算放大器的产品,包括电流反馈类型,以及取代精确低失真、宽带、电压模式放大的新解决方案。EEUEETC-电子工程专辑

选择和理想

如今,系统设计人员可以在众多不同种类的所谓“传统”单芯片运算放大器中进行选择——这类组件具有差分高阻抗输入,支持小电压VIN,以及在VOUT = AVIN出现时实现单侧(或者看似如此)低阻抗输出,由此通常认为放大因子A非常大。我们称这种放大器为OPA;至于其它类型,例如TZA和AFA,我们将在后续专栏中介绍。EEUEETC-电子工程专辑

每个OPA都有其特殊的性能,例如只提供几个飞安培(fA)的偏置电流(通常称为静电计级运算放大器);或者提供超低偏置电压(即所谓的“仪表级运算放大器”,不要与“仪表放大器”混淆了——这通常指固定增益差分输入放大器);或者具有极低噪声(包括不稳定以及烦人的低频率噪声,称为1/f);或者具有宽带宽,同时具有高压摆率时比较有用(虽然并不太需要);或者支持小功率运行,有时采用非常低的电源电压;或者能够将大功率驱动到负载等等。每一种OPA都展现了一组强大的优化标准,当然,没有任何一种设计是通用的。EEUEETC-电子工程专辑
OPA为何应用如此广泛?是否可以将部分原因归结为推广或促销?它独特的优势——近乎“万灵丹”的万能特性难道只是一种“迷思”吗?显然不是;但是,它未必始终具备其所享誉的精确度。如果你打开大多数有关运算放大器的教科书,你会发现讨论总是以所谓的“理想特性”开始,它一开头总是这样的:EEUEETC-电子工程专辑

• 无限增益EEUEETC-电子工程专辑
• 无限带宽EEUEETC-电子工程专辑
• 毫无延迟EEUEETC-电子工程专辑

坦白说,即使是在传统的应用中,我也不知道如何使用这样的放大器,简单说就是因为这些放大器永远不会稳定下来——即使OPA中绝对没有增益和相位误差。事实上,正是基于这一点才获得高精度。不妨考虑一下实现单位增益反相放大器的简单反馈电路。在实际建置中,从输出到反相端的实体电阻具有分布电阻和电容,并且具有相当复杂的增益/相位特性。尽管这种特征时间常数非常小,通常是皮秒(ps),但如果放大器确实能在超出关键限值范围以外的频率实现真正的平坦增益,那么它们绝对不稳定。我们可以透过快速模拟来展现这种可能性。当然,这是个学术问题。实际的运算放大器在大多数应用中都具有出色的性能,正是这种高度可预测的良好性能使运算放大器成为现代模拟设计中广泛应用的组成部分。这是如何实现的?EEUEETC-电子工程专辑

在实际的OPA中,各组件固有的“惯性”会造成相位迟滞,在高频时,相位迟滞更加严重,从而导致出现大相位角。大部份原因应该归结于晶体管,但电阻的电容特性也会造成相位迟滞。如果增益振幅过大,闭回路响应将会不稳定。这种情况通过“HF补偿”(HF compensation)来解决,说明大多数当代运算放大器中都会考虑这一点。稳定性标准大家都很熟悉,比较可靠的教科书中都会进行全面阐述。关于这个主题,推荐大家阅读麻省理工学院(MIT)的Jim Roberge撰写的《运算放大器》(Operational Amplifiers)。到目前为止,最常用的稳定技术是“主导极点”(dominant pole),它可以保证闭回路响应无条件保持稳定(至少在单位闭回路增益和并非完全无功负载的情况下),虽然从某些方面来说效率很低,却大大简化了运算放大器的使用。但也正是这种技术导致许多实际应用中的交流(AC)增益极低。EEUEETC-电子工程专辑

在数据手册中,OPA的性能通过大量与直流(DC)特性有关的资料来体现。其中之一是开回路DC电压增益AO。在竞争激烈的现代社会,人们认为AO低于100dB(也就是低于x100,000)的运算放大器才刚刚勉强达到标准。所以,人们费尽心力地来提高这个参数值——100万很常见,1,000万也算平常。我不明白为什么大家需要这么高的增益。即使在应变计(strain-gauge)界面这样的应用中,数百万DC增益也是不合理的。EEUEETC-电子工程专辑

例如,假设我们希望实现x10,000的闭回路增益,以便将100mV的讯号提升到可用的1V。为了达到-1%的误差,有限的AO必须是100万。但是反馈网络中用来定义增益的电阻的精度绝不会高于1%;应变系数的不确定性往往会导致更大的标度误差。鉴于应变测量通道的单次校准通常都是强制性的,所以使用较低的AO就足以提供足够的性能,特别是当这个参数在温度和电源电压下是稳定的,设计良好的现代产品通常都是如此。EEUEETC-电子工程专辑

从前的谜题

人们偶然注意到,IC中出现的某些微妙的、一时令人费解的限制,可能会阻碍实现非常高的DC电子增益。在运算放大器发展早期,这曾经是相当大的问题,当时人们还不像现在技术娴熟的设计师一样了解硅的真实特性。事实上,这个问题首次出现时,人们觉得非常令人费解。不仅增益低于预期值(通常要低得多),它甚至可以是反相符号:也就是说,外部网络提供的负反馈在非常低的频率下变为正反馈,但闭回路响应却保持稳定!这怎么可能呢?

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