運算放大器--單通道、雙通道、四通道優缺點及結構

2021-01-08 電子產品世界


Bob Widlar曾提出一個重要觀點，即集成電路(IC)的設計依據應該是比例和匹配，而不是電阻和電晶體的絕對值。這個原理同樣適用於需要多個運算放大器的PCB(印製電路板)設計。

　　雙通道運放真的是兩運放，還是一矽片具備兩功能?

　　人們常常認為雙通道運放等同於兩個單通道運放，但在電路板上，單片雙通道IC與兩個單通道IC之間還是存在一些細微差別，這些差別可能會給新的設計帶來問題。由於兩個運放在相同的單個矽片上並排放置，因此在使用雙通道放大器時需要考慮電氣和散熱因素。

　　業界研究熱效應已經有30多年的歷史了，並且在Solomon引用的一篇前50強IEEE論文有詳細的論述 [1]。隨著運放輸出電壓的改變，散熱量也隨之改變，會有一個熱波穿過整個晶片傳播到輸入級，使晶片失去平衡，並表現為一種電氣信號。熱波能夠同時影響兩個運放，即使它們在電氣上是分開的。

　　另外還有電氣效應。為了減小裸片尺寸，進而降低成本，像偏置電路和相關啟動電路等部分可能為兩個運放所共享。如果一個運放超出了正常工作範圍，並導致偏置電路出現故障，那麼另一個運放也會發生故障 [2]。另外，由於只有一對電源引腳，邦定線和裸片上的一些金屬化層將承載兩個運放的總電流。一個放大器吸收的電流將產生IR壓降，並通過隨頻率改變的PSRR指標反映到另一個運放上。

　　優點

　　任何事物都不可能十全十美，因此使用雙通道運放既有優點也有缺點。有些優點是顯而易見的。首先，單次插入比兩次插入更省製造成本。其次，大多數半導體製造商的雙通道運放報價通常要低於兩個單通道運放的成本。通過合併子電路，裸片面積通常小於單通道運放的兩倍。再者，高速自動化測試設備(ATE)受類似運放這樣的單個功能的處理時間的限制，因此每個功能的測試成本也更低。在封裝成本方面也是如此。最後，由於兩個電路在晶圓上靠得非常近，它們之間的電氣特性 (通常會規定)也非常匹配。

　　缺點

　　不過也存在一些缺點。將兩個或四個功能放在一個封裝中會增加功耗。對於低帶寬、低電壓(低功耗)運放來說，這種功耗的增加對結溫的影響很小，僅上升5℃。而對驅動低阻抗負載(如同軸電纜)的高速運放而言，這種結溫上升會非常明顯，大概有30℃。由於裸片應力原因，四通道運放的最大失調電壓將高於雙通道或單通道運放[3]。在某些情況下，雙通道運放的失調電壓會比單通道運放高，四通道運放的失調電壓將比雙通道運放高[4]。

　　串擾也是個問題，它源自兩個效應：熱效應和電氣效應。如前所述，從一個部分發出的熱波將使另一個部分的輸入級失去平衡，這表現為低頻反饋。另外，由於只有一對電源引腳，邦定線電阻對所有部分都是公共的，因此一個部分引起的大負載電流將在邦定線上造成IR壓降。運放的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象。

　　版圖設計考慮

　　為了真正理解這些效應發生的原因，有必要了解單通道、雙通道和四通道運放的內部構造輸入級電路

　　運放的第一級通常是差分對電路，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。它們面臨一個同樣的問題：如果兩邊的溫度有差異，即使相差只有1/10，電路也會變得不平衡。當增益為10萬倍或以上時，這將對輸出電壓造成影響。當輸出級電路存在功耗時，熱波將越過裸片傳播到輸入級。如果輸入級離得比較遠(相對而言)，等溫線將近似平行線。如果兩個輸入電晶體的位置擺放得比較合適，熱波將同時到達兩個電晶體，這時平衡幾乎不會受到影響。這是一個好主意，但我們可以做得更好。將電晶體分成兩個部分，並進行交叉耦合，那麼從某個角度傳來的熱波將同時影響兩個部分，影響程度將低於兩個獨立電晶體的情形。也許George Erdi在 uA725中首次應用的就是這種方法[5]。「交叉耦合四通道」具有多方面的含義，這裡討論的是其最通用的含義。輸出電晶體和輸入電晶體應沿著圖1所示的中心線放置。

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