??? 摘 要： 以便攜式電子產(chǎn)品" title="便攜式電子產(chǎn)品">便攜式電子產(chǎn)品為例，系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師" title="設(shè)計(jì)工程師">設(shè)計(jì)工程師要面對(duì)成本壓力，因?yàn)楫a(chǎn)品價(jià)格必須盡量降低，才可憑借價(jià)格優(yōu)勢(shì)，搶占更大的市場(chǎng)。放大器是這類便攜式系統(tǒng)" title="便攜式系統(tǒng)">便攜式系統(tǒng)的重要組成部分，因?yàn)檫@類器件可以執(zhí)行信號(hào)放大、濾波、轉(zhuǎn)換及其他功能。
??? 關(guān)鍵詞： 便攜式產(chǎn)品；LMV651
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??? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師設(shè)計(jì)每一款產(chǎn)品時(shí)，都要在速度、功耗、噪聲及封裝大小等方面作出取舍，務(wù)求取得平衡。每當(dāng)構(gòu)思新的設(shè)計(jì)，常常要在兩個(gè)同樣重要的參數(shù)之間作出取舍。以便攜式電子產(chǎn)品為例，系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師還要面對(duì)成本壓力，才可憑借價(jià)格優(yōu)勢(shì)，搶占更大的市場(chǎng)。
??? 十多年前，數(shù)字溫度計(jì)正式面世，初時(shí)確實(shí)令人眼前一亮。但在當(dāng)時(shí)，這樣的必需品并非人人都能負(fù)擔(dān)得起。目前，這類產(chǎn)品已漸漸被市場(chǎng)淘汰，取而代之的是功能更齊備、效率更高、外型更美觀而價(jià)錢則更低廉的設(shè)備。
?便攜式電子產(chǎn)品必須采用低功率" title="低功率">低功率的元器件，以便盡量減少系統(tǒng)功耗。放大器是這類便攜式系統(tǒng)的重要組成部分，因?yàn)檫@類器件可以執(zhí)行信號(hào)放大、濾波、轉(zhuǎn)換及其他功能。
1 工藝技術(shù)
??? 對(duì)于設(shè)計(jì)集成電路的工程師來說，只要適合的工具齊備，完成一款創(chuàng)新精巧的電路設(shè)計(jì)并不太難。從另一個(gè)角度看，工程師僅有設(shè)計(jì)才華并不足夠，他們還需要倚靠先進(jìn)的工藝技術(shù)，才可充分發(fā)揮其才華，解決一個(gè)個(gè)無法預(yù)見的棘手問題。
??? 美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司率先開發(fā)的VIP50 BiCMOS工藝技術(shù)最適用于生產(chǎn)低功率芯片，這方面的優(yōu)勢(shì)非其他工藝所能代替。這種工藝技術(shù)的面世不但是便攜式電子產(chǎn)品發(fā)展史上的一個(gè)里程碑，而且也標(biāo)志著整個(gè)電子產(chǎn)業(yè)進(jìn)入一個(gè)新世代。利用VIP50工藝技術(shù)生產(chǎn)的集成電路不但可以保證直流電操作時(shí)的準(zhǔn)確性，而且還有超高準(zhǔn)確度、極低功耗、更高速度及較低噪聲" title="低噪聲">低噪聲等優(yōu)點(diǎn)。5V 的LMV651 BiCMOS放大器便是利用這種工藝技術(shù)生產(chǎn)的一款產(chǎn)品。
2 可滿足不同應(yīng)用的不同要求
??? 由于LMV651芯片具有高精度、高速、低功耗、低噪聲以及廣闊動(dòng)態(tài)范圍等優(yōu)點(diǎn)，因此可以支持多種不同的應(yīng)用，并確保不同系統(tǒng)都能充分發(fā)揮其性能。以低電壓系統(tǒng)為例，放大器芯片除了必須符合低功耗的要求之外，還必須確保以低供電電壓操作時(shí)只會(huì)產(chǎn)生極輕微的壓降。此外，LMV651芯片內(nèi)置電壓擺幅極小的輸出級(jí)，若以3V電壓驅(qū)動(dòng)10kΩ負(fù)載，其電壓擺幅不會(huì)超過50mV；若驅(qū)動(dòng)2kΩ的負(fù)載，電壓擺幅大約只有80mV。由于這款芯片的動(dòng)態(tài)范圍廣闊，因此最適用于低電壓的系統(tǒng)。
?LMV651芯片若以交流電操作，其表現(xiàn)也非常優(yōu)異。這款芯片的電源抑制比(PSRR)高達(dá)95dB，可以確保便攜式電子產(chǎn)品不會(huì)輕易受干擾而使電壓下降，以致放大器的輸入端出現(xiàn)錯(cuò)誤，因此最適用于以電池供電的便攜式電子產(chǎn)品。
??? LMV651芯片的共模抑制比(CMRR)高達(dá)100dB，只要將這款芯片搭配另外兩顆放大器，便可組建內(nèi)含3顆運(yùn)算放大器的測(cè)量?jī)x表。這是一個(gè)低功率及低成本的分立式解決方案。
3 噪聲較低、封裝小巧
??? 按照目前的趨勢(shì)估計(jì)，外型輕巧纖薄的便攜式電子產(chǎn)品越來越受消費(fèi)者的歡迎，因此便攜式系統(tǒng)必須采用封裝極為小巧的芯片。但封裝越小巧，產(chǎn)生的問題便越多，例如準(zhǔn)確度會(huì)受影響，噪聲與功耗會(huì)較多，而最重要的一點(diǎn)是成本也會(huì)上升。
?LMV651芯片采用超小型的SC70封裝，輸入偏移電壓只有100?滋V，而寬帶噪聲則只有17nV/√Hz。此外，由于LMV651芯片內(nèi)置雙極前端電路，因此中頻轉(zhuǎn)角閃爍噪聲較少。對(duì)于直流電操作準(zhǔn)確性要求較高的系統(tǒng)來說，這是不可忽略的重要參數(shù)。
?低噪聲與小巧封裝也有另一好處，如LMV651芯片可以用于高密度的電路板，而且不會(huì)輕易受電路板的噪聲干擾。此外，由于封裝較小，因此這款芯片可以置于靠近饋電線路的位置，有助于縮短線路長(zhǎng)度以及減少不必要的電感。
4 低功率、高帶寬
??? 功率一旦降低，帶寬必然會(huì)受到影響。部分便攜式系統(tǒng)不得不采用兩個(gè)串聯(lián)一起的放大器，以便提供足夠的帶寬，并將功耗降至不影響性能的最低水平。
??? 低功率放大器的應(yīng)用范圍非常廣泛，除了便攜式電子產(chǎn)品之外，工業(yè)設(shè)備如近距離感測(cè)傳感器很多時(shí)都采用低功率放大器。LMV651芯片的單位增益帶寬高達(dá)12MHz，壓擺率達(dá)3V/?滋s，但供電電流則只需115?滋A，對(duì)于必須放大微弱信號(hào)的應(yīng)用如流程控制系統(tǒng)來說，LMV651芯片是個(gè)理想的選擇。由于這款芯片的單位增益帶寬高達(dá)12MHz，因此無論采用反相還是非反相配置的高增益系統(tǒng)都適用。
5 低噪聲、低失真
?? ?LMV651芯片具有低噪聲、低失真(THD+N)及輸出電流較為理想等優(yōu)點(diǎn)，比其他同類的低功率芯片性價(jià)比高。這款芯片最適用于音頻系統(tǒng)的前端電路，如噪聲抑制電路。由于這款芯片采用SC70封裝，因此最適用于耳機(jī)或個(gè)人數(shù)字助理等小型的電子產(chǎn)品及系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
6 高精度與低功率的結(jié)合
??? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師很多時(shí)要面對(duì)這個(gè)問題：系統(tǒng)若以直流電操作，芯片的準(zhǔn)確性必須不受影響，但采用交流電操作時(shí)，有關(guān)芯片又必須能夠充分發(fā)揮其性能。圖1顯示的復(fù)合放大器充分利用LMP7701的高精度特性。這款型號(hào)為L(zhǎng)MP7701的高精度放大器采用美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的VIP50工藝技術(shù)制造。LMV651芯片則置于電路的反饋部分，因此芯片的輸入偏移電壓及噪聲因?yàn)殚_環(huán)增益極高而減少，以致變得微不足道。此外，由于整個(gè)電路的開環(huán)增益極高(兩個(gè)放大器的乘積)，因此增益錯(cuò)誤也較少。對(duì)于數(shù)據(jù)采集等系統(tǒng)來說，減少增益錯(cuò)誤非常重要，因?yàn)檫@是系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤信號(hào)的主要原因。
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??? 這款復(fù)合放大器可以充分利用LMV651芯片的較低壓擺率，提供高帶寬的快速信號(hào)處理，但總功耗仍然極低，大約只有800μA。反饋電容器可以減少瞬態(tài)信號(hào)產(chǎn)生的振鈴振蕩，確保增益穩(wěn)定(不會(huì)出現(xiàn)尖峰)。LMV651芯片的反相節(jié)點(diǎn)與反饋電路之間可以在有需要時(shí)加插電容器，以便消除LMV651芯片輸入偏置電流可能會(huì)產(chǎn)生的不利影響。
??? 設(shè)計(jì)復(fù)合放大器時(shí)，最好預(yù)先核實(shí)其頻率及瞬態(tài)響應(yīng)，這樣做會(huì)較為穩(wěn)妥?？梢韵葘?00μV的微弱信號(hào)輸入增益為100倍的復(fù)合放大器的輸入端。若供電干線附近的輸出擺幅沒有任何振鈴振蕩或過沖，即表示頻率的增益非常穩(wěn)定。
??? 圖2顯示該模擬電路的測(cè)試結(jié)果。相關(guān)元器件的數(shù)值只適用于這次模擬測(cè)試，實(shí)際操作時(shí)，有關(guān)數(shù)字可能會(huì)有出入。圖2顯示的兩條曲線都各有40dB的增益(100)，可以利用反饋電容器消除增益尖峰。
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??? 圖3顯示LMV651芯片輸出端的瞬態(tài)響應(yīng)(上方的曲線)，下方的曲線顯示復(fù)合放大器的壓擺率為3V/μs，這個(gè)數(shù)值與LMV651芯片的壓擺率一致。
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7 輕巧纖薄、攜帶方便
?? 毫無疑問，整個(gè)便攜式電子產(chǎn)品市場(chǎng)以醫(yī)療設(shè)備等產(chǎn)品的增長(zhǎng)為最快。血糖監(jiān)控器、血液分析儀、助聽器及血壓監(jiān)控器都紛紛采用低成本、低功耗及封裝小巧的集成電路解決方案，確保電子產(chǎn)品更輕巧纖薄，電池壽命更長(zhǎng)。但從目前的發(fā)展趨勢(shì)來看，便攜式醫(yī)療設(shè)備必須采用更創(chuàng)新的設(shè)計(jì)，才可確保產(chǎn)品更方便攜帶、響應(yīng)更快。像ECG監(jiān)控器這類產(chǎn)品必須能夠迅速提供準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)字，而且必須能夠以無線方式在現(xiàn)場(chǎng)(例如救護(hù)車或事故現(xiàn)場(chǎng))將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送給負(fù)責(zé)的醫(yī)護(hù)人員。便攜式ECG監(jiān)控器簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。
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??? 由于這些便攜式醫(yī)療測(cè)量設(shè)備非常靈敏，因此很易受噪聲干擾，以致造成信號(hào)失真。LMV651芯片的中頻轉(zhuǎn)角噪聲極低，而寬帶噪聲更低至只有17nV/Hz，比20kΩ電阻所產(chǎn)生的噪聲還少。LMV651芯片具有低噪聲及低靜態(tài)電流的優(yōu)點(diǎn)，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師可以采用較小的電阻，以便減少系統(tǒng)的噪聲及延長(zhǎng)電池壽命。
?? ?LMV65x系列芯片不但設(shè)計(jì)創(chuàng)新，而且還采用先進(jìn)的工藝技術(shù)生產(chǎn)，因此毫無疑問是目前最理想的放大器之一。此系列放大器目前有單組裝及四組裝兩種可供選擇，雙組裝的型號(hào)也即將推出。雖然此系列放大器最適用于便攜式電子產(chǎn)品，但相信它的應(yīng)用會(huì)迅速普及。