摘要
在需要多個(gè)運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師的第一反應(yīng)是使用雙通道或四通道運(yùn)算放大器，然后根據(jù)PCB版圖設(shè)計(jì)考慮來分配各個(gè)部分。在許多情況下這樣做沒什么問題，但對(duì)某些電路來說，謹(jǐn)慎地選擇單通道、雙通道或四通道運(yùn)算放大器，并且進(jìn)行恰當(dāng)?shù)膭澐挚梢蕴岣唠娐沸阅�。本文將討論一些常見的電路，借此闡述兩個(gè)單通道或一個(gè)雙通道運(yùn)算放大器在什么情況是正確的選擇。
歷史
Bob Widlar曾提出一個(gè)重要觀點(diǎn)，即集成電路的設(shè)計(jì)依據(jù)應(yīng)該是比例和匹配，而不是電阻和晶體管的絕對(duì)值。這個(gè)原理同樣適用于需要多個(gè)運(yùn)算放大器的PCB設(shè)計(jì)。
雙通道運(yùn)算放大器真的是兩個(gè)運(yùn)算放大器嗎？還是一個(gè)硅片具備兩個(gè)功能？
人們常常認(rèn)為雙通道運(yùn)算放大器等同于兩個(gè)單通道運(yùn)算放大器，但在電路板上，單片雙通道IC與兩個(gè)單通道IC之間還是存在一些細(xì)微差別，這些差別可能會(huì)給新的設(shè)計(jì)帶來問題。由于兩個(gè)運(yùn)算放大器在相同的單個(gè)硅片上并排放置，因此在使用雙通道放大器時(shí)需要考慮電氣和散熱因素。
業(yè)界研究到熱效應(yīng)已經(jīng)有30多年的歷史了，并且在Solomon引用的一篇前50強(qiáng)IEEE論文有詳細(xì)的論述1。隨著運(yùn)算放大器輸出電壓的改變，散熱量也隨之改變，會(huì)有一個(gè)熱波穿過整個(gè)芯片傳播到輸入級(jí)，使芯片失去平衡，并表現(xiàn)為一種電氣信號(hào)。熱波能夠同時(shí)影響兩個(gè)運(yùn)算放大器，即使它們?cè)陔姎馍鲜欠珠_的。
另外還有電氣效應(yīng)。為了減小裸片尺寸，進(jìn)而降低成本，像偏置電路和相關(guān)啟動(dòng)電路等部分可能為兩個(gè)運(yùn)算放大器所共享。如果一個(gè)運(yùn)算放大器超出了正常工作范圍，并導(dǎo)致偏置電路出現(xiàn)故障，那么另一個(gè)運(yùn)算放大器也會(huì)發(fā)生故障2。另外，由于只有一對(duì)電源引腳，邦定線和裸片上的一些金屬化層將承載兩個(gè)運(yùn)算放大器的總電流。一個(gè)放大器吸收的電流將產(chǎn)生IR壓降，并通過隨頻率改變的PSRR指標(biāo)反映到另一個(gè)運(yùn)算放大器上。
使用雙通道運(yùn)算放大器的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn)……
任何事物都不可能十全十美，因此使用雙通道運(yùn)算放大器既有優(yōu)點(diǎn)也有缺點(diǎn)。有些優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的。首先，單次插入比兩次插入更省制造成本。其次，大多數(shù)半導(dǎo)體制造商的雙通道運(yùn)算放大器報(bào)價(jià)通常要低于兩個(gè)單通道運(yùn)算放大器的成本。通過合并子電路，裸片面積通常小于單通道運(yùn)算放大器的兩倍。再者，高速自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備(ATE)受類似運(yùn)算放大器這樣的單個(gè)功能的處理時(shí)間的限制，因此每個(gè)功能的測(cè)試成本也更低。在封裝成本方面也是如此。最后，由于兩個(gè)電路在晶圓上靠得非常近，它們之間的電氣特性（通常會(huì)規(guī)定）也非常匹配。
缺點(diǎn)
不過也存在一些缺點(diǎn)。將兩個(gè)或四個(gè)功能放在一個(gè)封裝中會(huì)增加功耗。對(duì)于低帶寬、低電壓（低功耗）運(yùn)算放大器來說，這種功耗的增加對(duì)結(jié)溫的影響很小，僅上升5℃。而對(duì)驅(qū)動(dòng)低阻抗負(fù)載（如同軸電纜）的高速運(yùn)算放大器而言，這種結(jié)溫上升會(huì)非常明顯，大概有30℃。由于裸片應(yīng)力原因，四通道運(yùn)算放大器的最大失調(diào)電壓將高于雙通道或單通道運(yùn)算放大器3。在某些情況下，雙通道運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓會(huì)比單通道運(yùn)算放大器高，四通道運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓將比雙通道運(yùn)算放大器高4。
串?dāng)_也是個(gè)問題，它源自兩個(gè)效應(yīng)：熱效應(yīng)和電氣效應(yīng)。如前所述，從一個(gè)部分發(fā)出的熱波將使另一個(gè)部分的輸入級(jí)失去平衡，這表現(xiàn)為低頻反饋。另外，由于只有一對(duì)電源引腳，邦定線電阻對(duì)所有部分都是公共的，因此一個(gè)部分引起的大負(fù)載電流將在邦定線上造成IR壓降。運(yùn)算放大器的PSRR不是無限的，因此某部分將被耦合到其它部分。PSRR隨頻率升高而下降，因此在約5kHz至10kHz頻段可以看到這一現(xiàn)象。
版圖設(shè)計(jì)考慮
為了真正理解這些效應(yīng)發(fā)生的原因，有必要了解單通道、雙通道和四通道運(yùn)算放大器的內(nèi)部構(gòu)造。
輸入級(jí)電路
運(yùn)算放大器的第一級(jí)通常是差分對(duì)電路，可以是如圖所示的NPN或PNP雙極性電路，也可以是N溝道或P溝道MOSFET，或N溝道或P溝道JFET。它們面臨一個(gè)同樣的問題：如果兩邊的溫度有差異，即使相差只有十分之一，電路也會(huì)變得不平衡。當(dāng)增益為100,000或以上時(shí)，這將對(duì)輸出電壓造成影響。當(dāng)輸出級(jí)電路存在功耗時(shí)，熱波將越過裸片傳播到輸入級(jí)。如果輸入級(jí)離得比較遠(yuǎn)（相對(duì)而言），等溫線將近似平行線。如果兩個(gè)輸入晶體管的位置擺放得比較合適，熱波將同時(shí)到達(dá)兩個(gè)晶體管，這時(shí)平衡幾乎不會(huì)受到影響。這是一個(gè)好主意，但我們可以做得更好。將晶體管分成兩個(gè)部分，并進(jìn)行交叉耦合，那么從某個(gè)角度傳來的熱波將同時(shí)影響兩個(gè)部分，影響程度將低于兩個(gè)獨(dú)立晶體管的情形。也許George Erdi在uA725中首次應(yīng)用的就是這種方法5。“交叉耦合四通道”具有多方面的含義，這里討論的是其最通用的含義。輸出晶體管和輸入晶體管應(yīng)沿著圖1所示的中心線放置。
圖1
版圖設(shè)計(jì)還有許多其它考慮因素，如裸片應(yīng)力、電阻的溫度系數(shù)等，這些因素在Hastings的文章中有很詳細(xì)的介紹6。
封裝引腳輸出
圖1中的版圖對(duì)單通道運(yùn)算放大器來說完全沒有問題，但對(duì)雙通道運(yùn)算放大器來說問題就出現(xiàn)了。雙通道運(yùn)算放大器的標(biāo)準(zhǔn)引腳輸出如圖2所示。
圖2
圖3是雙通道運(yùn)算放大器在晶體管級(jí)的一種可能的底層規(guī)劃圖。這里有個(gè)問題：通道B的輸出必須越過輸入線才能到達(dá)引腳7。在很早以前，雙極性模擬工藝還是采用的單層金屬化工藝，必須使用穿接(cross-under)方法，因此對(duì)性能會(huì)有影響。
圖3
圖3是一個(gè)很好的雙通道運(yùn)算放大器版圖。輸入級(jí)非�？拷闫行�，因此機(jī)械應(yīng)力梯度最小。從一個(gè)輸出級(jí)到另一個(gè)輸入級(jí)的距離要大于另一種版圖。從輸出級(jí)到兩個(gè)輸入級(jí)的等溫線近似等距的并行線，因此交叉耦合輸入級(jí)四通道運(yùn)算放大器的抑制能力很強(qiáng)。這種版圖的主要缺點(diǎn)是，輸出B必須跨越兩個(gè)輸入級(jí)才能到達(dá)輸出焊盤。從輸出金屬化到同相輸入金屬化的任何電容都將導(dǎo)致正反饋。這對(duì)幾年前的單層金屬化(SLM)工藝來說問題比較麻煩，不過通過這些運(yùn)算放大器的低增益帶寬已經(jīng)有所改善。這種版圖具有良好的散熱性能，但是，在規(guī)劃同一產(chǎn)品系列中的四通道版本時(shí)又會(huì)遇到問題。
雙通道版圖還有另外一種選擇，如圖4。
圖4
在一個(gè)產(chǎn)品系列中要規(guī)劃四通道產(chǎn)品時(shí)可以采用這種版圖，因?yàn)檫@種版圖可以被復(fù)制，再經(jīng)垂直翻轉(zhuǎn)就能快速生成四通道版圖。輸入和輸出相當(dāng)靠近正確的封裝引腳。四通道運(yùn)算放大器的標(biāo)準(zhǔn)引腳輸出如圖5所示。
圖5
這種版圖存在幾個(gè)微妙的問題。1）輸入級(jí)不在裸片中心，而裸片中心是最低的機(jī)械應(yīng)力梯度點(diǎn)，具有最小的失調(diào)電壓；2）從輸出級(jí)到輸入級(jí)的距離不夠遠(yuǎn)；3）從一個(gè)輸出級(jí)到另外一個(gè)輸入級(jí)的熱波將使等溫線變成曲線，因而無法被交叉耦合的輸入對(duì)完全抑制，并造成從一個(gè)通道至另一個(gè)通道的串?dāng)_。
這些問題使設(shè)計(jì)師處于兩難境地：對(duì)雙通道運(yùn)算放大器來說最優(yōu)的版圖對(duì)四通道運(yùn)算放大器而言不是最優(yōu)的。每個(gè)單通道、雙通道或四通道運(yùn)算放大器的單個(gè)版圖可以從頭開始設(shè)計(jì)，但考慮到上市時(shí)間和開發(fā)成本，標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)過程是要盡可能多地重復(fù)利用某個(gè)設(shè)計(jì)。當(dāng)某個(gè)產(chǎn)品系列中只需要單通道或雙通道運(yùn)算放大器時(shí)，雙通道的版圖通常是最優(yōu)的。有趣的是，將圖3進(jìn)行水平翻轉(zhuǎn)可以得到同樣的四通道版圖，因此與版圖設(shè)計(jì)合理的雙通道或單通道運(yùn)算放大器相比，四通道運(yùn)算放大器性能指標(biāo)會(huì)較差。
幾年前，有個(gè)制造商做出了指標(biāo)非常好的四通道運(yùn)算放大器。秘訣是使用了一個(gè)特殊的引腳框，可接受兩個(gè)雙裸片，即混合器件或多芯片模塊(MCM)。這種產(chǎn)品需要在內(nèi)部完成裝配，或與外部裝配工廠進(jìn)行緊密合作。最終的良品率近似等于各個(gè)裸片良品率的乘積。例如，如果裸片良品率是99%，那么最終良品率將是0.99*0.99 = 98.01%，這是完全可以接受的。另一方面，如果裸片良品率為90%，對(duì)于規(guī)格要求很嚴(yán)的器件來說這是很有可能的，那么總的良品率將是0.9*0.9 = 81%。
好的例子
當(dāng)通道間具有非常復(fù)雜的交互時(shí)，使用雙通道運(yùn)算放大器的匹配特征何時(shí)才有意義呢？有兩種常見的應(yīng)用可以考慮；自己構(gòu)建三路運(yùn)算放大器儀表放大器，并對(duì)關(guān)鍵應(yīng)用進(jìn)行相位補(bǔ)償。圖6是經(jīng)典的三路運(yùn)算放大器儀表放大器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。
圖6
對(duì)于這種應(yīng)用，一般人會(huì)使用四通道運(yùn)算放大器，但請(qǐng)注意，A1和A2工作時(shí)的噪聲增益可能是5、10或更高。這意味著輸入失調(diào)電壓和輸入電壓噪聲很重要。A3有不同的要求，因此需要使用不同類型的運(yùn)算放大器7。A3通常工作在很低的增益下，而且以儀表放大器總輸入為參考的輸入噪聲將被第一級(jí)電路的增益所除，因此重要性低得多。最后，第三個(gè)運(yùn)算放大器的負(fù)載一般會(huì)比前兩個(gè)高。
輸入部分的失調(diào)電壓取決于A1和A2的Vos。市場(chǎng)上能夠保證兩個(gè)部分之間完全匹配的雙通道運(yùn)算放大器不多。即使不能保證完全匹配，兩個(gè)運(yùn)算放大器也存在一定程度的匹配。例如，AD8599數(shù)據(jù)手冊(cè)上的最大delta Vos是2.2 uV/℃，雖然手冊(cè)上沒有說明匹配性能，但對(duì)100個(gè)器件的隨機(jī)抽樣表明，最大差值不超過1 uV/℃�？紤]最壞情況的設(shè)計(jì)應(yīng)使用數(shù)據(jù)手冊(cè)上的最大Vos，然后由單片匹配提供額外的余量，從而實(shí)現(xiàn)可靠的設(shè)計(jì)。儀表放大器的最重要參數(shù)之一是共模抑制比(CMRR)。Pallás-Areny8表明，A1和A2的CMRR匹配可提高總的CMRR，這是輸入級(jí)使用單片雙通道器件的主要原因。
A1和A2的負(fù)載比較輕，但A3的負(fù)載很重，因此從電氣和熱性能上看，單片雙通道和單通道器件會(huì)更好。另外，從布線的角度考慮，這種應(yīng)用也傾向于使用單片雙通道和單通道器件。順便提一下，輸出部分的直流和交流CMRR很大程度上取決于電阻匹配和寄生電容匹配，這是經(jīng)常被忽視的一個(gè)因素。隨著多年來半導(dǎo)體制造技術(shù)的改進(jìn)，采用激光微調(diào)薄膜電阻的單片差動(dòng)放大器，如AD8271，可以比分立運(yùn)算放大器和4個(gè)0.1%電阻的成本更低，而且具有更好的性能9。根據(jù)所需的CMRR與頻率關(guān)系、PCB尺寸、整體精度以及總的供電電流，完整的單片式儀表放大器（如AD822610）將是最佳選擇。
電力線監(jiān)控
對(duì)于單極點(diǎn)系統(tǒng)，總所周知當(dāng)幅度減少3dB時(shí)相移是45度。另外一條有用的經(jīng)驗(yàn)就是，當(dāng)頻率在角頻率之上10倍頻或角頻率之下10倍頻時(shí)，相位將分別偏離零度或偏離90度5.71度。
值得注意的是，即使是在低于角頻率100倍的頻率處，相移仍大于0.5度，并且幅度比設(shè)想的要稍低一些。
對(duì)于在幅度和相位方面需要特別高精度的系統(tǒng)，比如電力線監(jiān)控應(yīng)用，可以使用一個(gè)運(yùn)算放大器部分的交流特性補(bǔ)償另一個(gè)運(yùn)算放大器部分的相位響應(yīng)�；靖拍钊鐖D7所示，普通單極點(diǎn)系統(tǒng)（標(biāo)示為未補(bǔ)償）和圖7系統(tǒng)（標(biāo)示為已補(bǔ)償）的相位響應(yīng)如圖8所示。圖中沒有提及什么數(shù)學(xué)關(guān)系，欲想了解更多細(xì)節(jié)，請(qǐng)閱讀參考文獻(xiàn)11,12,13。
圖7
圖8
糟糕的例子
信號(hào)鏈中的四通道運(yùn)算放大器
如果是毫伏數(shù)量級(jí)的信號(hào)源，信號(hào)鏈必須具有低噪聲性能才能保持可接受的信噪比(SNR)。增益分配和選擇合適的單通道、雙通道或四通道運(yùn)算放大器可以改善性能、降低總體成本。例如，在最大輸入信號(hào)為50mV、輸出10V到2kΩ負(fù)載情況下，增益要求達(dá)到200。
圖9中的四個(gè)模塊可以分別配置為緩沖器、增益為-1的反相累加放大器（用于校準(zhǔn)整條信號(hào)鏈?zhǔn)д{(diào)電壓）、增益為1的Sallen-Key濾波器和增益為200的電路級(jí)。
圖9
可以選擇一個(gè)四通道運(yùn)算放大器滿足全部四個(gè)運(yùn)算放大器的要求。但這是一種糟糕的設(shè)計(jì)，原因有以下幾個(gè)方面：1）為了使第一級(jí)電路有低的噪聲，必須選擇一個(gè)低噪聲的四通道運(yùn)算放大器，如AD8674；2）在輸出級(jí)和輸入級(jí)之間的PCB上存在電氣耦合，在兩個(gè)部分之間的硅片上存在熱耦合；3）最后一級(jí)要求較大的增益帶寬。
一種較好的方案（雖然不是唯一的方案!）是將一些增益分配到信號(hào)鏈的前面。不過前面分配過多的增益將導(dǎo)致中間級(jí)過載。如果第一級(jí)增益為10，那么第二級(jí)貢獻(xiàn)的噪聲（以輸入為參考）等于第二級(jí)的噪聲除以10。隨著每一級(jí)增益的增加，后一級(jí)的要求可以不斷降低。購(gòu)買一個(gè)昂貴的低噪聲四通道運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)所有4級(jí)模塊的成本效益就不如前兩級(jí)用低噪聲雙通道運(yùn)算放大器、后兩級(jí)用低成本的通用雙通道運(yùn)算放大器。
耳機(jī)放大器
即使可以用硅片構(gòu)建一個(gè)完美的雙通道運(yùn)算放大器，在封裝和PCB方面還有許多考慮因素。雙通道和四通道運(yùn)算放大器只有一對(duì)電源引腳，而不是兩對(duì)或四對(duì)。邦定線的電阻可能在50至100mΩ之間，因此使用雙通道運(yùn)算放大器的一個(gè)部分向低阻抗耳機(jī)提供100至200mA電流可能存在問題。典型原理圖上的多個(gè)接地符號(hào)都默認(rèn)為0V，但實(shí)際上并不正確。如果某個(gè)接地符號(hào)是0V，那么由于IR壓降問題，所有其它符號(hào)都要比這個(gè)符號(hào)高或低幾個(gè)毫伏。一英寸的PCB走線很容易在意想不到的地方產(chǎn)生50mV以上的IR壓降。圖10顯示了理想的立體聲耳機(jī)放大器原理圖，它具有理論上無限的通道間隔離度。
圖10
圖11是實(shí)際的耳機(jī)放大器原理圖，通道間隔離度只有60dB。對(duì)這個(gè)電路的仿真表明，邦定線和片上金屬化層確實(shí)會(huì)導(dǎo)致一些串?dāng)_，但主要串?dāng)_源還是1/4英寸的PCB走線，這段走線是左通道負(fù)載和右通道信號(hào)源的公共接地回路。兩個(gè)單通道運(yùn)算放大器具有更好的性能、更低的結(jié)點(diǎn)溫度、更高的可靠性和PCB版圖設(shè)計(jì)更容易的優(yōu)勢(shì)。
圖11
結(jié)束語
為了獲得最佳的系統(tǒng)性能和最低的系統(tǒng)成本，必須根據(jù)所需的合適運(yùn)算放大器對(duì)每個(gè)方面進(jìn)行評(píng)估。由于裝配的自動(dòng)化和封裝尺寸的減小，采用單通道和雙通道運(yùn)算放大器還是四通道運(yùn)算放大器對(duì)總體成本沒有影響。通過對(duì)PCB版圖、性能隨溫度的變化、通道隔離度、相位匹配和成本的全面考慮，可以獲得一種單通道或雙通道運(yùn)算放大器的最佳使用組合選擇。 |
