必须使用单电源运算放大器

必须使用单电源运算放大器
作者：Bonnie C. Baker，德州仪器 (TI)
关键字：模拟电路设计、工业应用、医疗电子、运算放大器、系统设计、工程教育、物理验证和分析、信号完整性、设计方法

电源电压值下降，而信号的质量和完整性不断提高。这种情况下，服务于一些应用（例如：高精度、或 SAR 转换器系统等）的基本模拟器件都能感觉到那些难以达到较高轨至轨输入性能的放大器不堪重负。简单的轨至轨运算放大器 (op amp) 必须具有一个真正跨越最小失真电源的晶体管设计。在许多应用电路中，这种要求都是没有商量余地的。

早在 20 世纪 70 年代，单电源运算放大器设计发展趋势便以单差动输入级开始，其涵盖了一部分共模输入范围。这种器件之后，运算放大器设计有了两个差动输入级（互补输入级），它们在整个放大器轨至轨共模范围共享轨至轨输入运算（有一些失真）（请参见参考文献 1）。这些解决方案中，没有一个能够产生一种满足覆盖放大器全共模输入范围所需高精度系统要求的放大器。

最后，集成电路设计人员借助了其他器件的技术来解决这个问题。现在，再平常不过的充电泵用来将放大器的一个单差动输入级推至正电源以上（请参见图1）。放大器设计人员将开关机制频率置于放大器带宽之上，并让开关噪声维持在放大器理论噪声底限以下。

图 1 OPA635 和 OPA333 单电源放大器的输入拓扑

那么，带充电泵的单差动输入级给您带来了什么呢？您的放大器共模抑制比 (CMRR) 有望增加 20 dB 到 30 dB。如果放大器是在某个缓冲结构中，则这种增加便具有积极的影响。您还可以将放大器总谐波失真度降低近 10x。因此，如果您使用一个输入级中具有充电泵的放大器来驱动高精度 SAR 或 转换器，您会发现您的系统性能提高了。

例如，由一个缓冲结构运算放大器驱动的 ADC 的总谐波失真，等于 ADC 和运算放大器失真贡献度的方和根。这种结构下，系统 THD 为：
 ，其中 。
THD OPA-% 为百分比单位运算放大器产品说明书的 THD 规范。

利用这些公式，如果带互补输入级的运算放大器具有 0.004% (VIN=4 Vp–p) 的THD 规范，并且 16 位 SAR ADC 具有 –99 dB 的 THD 规范，则系统 THD 为–88dB。或者，如果运算放大器的输入级有一个 0.0004% (VIN=4 Vp–p)  THD 规范的充电泵（请参见图 1），则系统 THD 变为 –98 dB。

单电源放大器始终紧跟高精度转换器的发展。这是通过设计许多创新放大器电路拓扑（例如：带充电泵的输入级）来实现的。尽管充电泵是一种很好的权宜之计，但我们仍追求更低电压的系统电源，和更高的信号完整性。我想，创新模拟电路设计人员终究会有一个美好的未来！