LMV651提高系统设计的质量与效率
2008-07-29
作者：Soufiane Bendaou
摘 要： 以便携式电子产品" title="便携式电子产品">便携式电子产品为例，系统设计工程师" title="设计工程师">设计工程师要面对成本压力，因为产品价格必须尽量降低，才可凭借价格优势，抢占更大的市场。放大器是这类便携式系统" title="便携式系统">便携式系统的重要组成部分，因为这类器件可以执行信号放大、滤波、转换及其他功能。
关键词： 便携式产品；LMV651
系统设计工程师设计每一款产品时，都要在速度、功耗、噪声及封装大小等方面作出取舍，务求取得平衡。每当构思新的设计，常常要在两个同样重要的参数之间作出取舍。以便携式电子产品为例，系统设计工程师还要面对成本压力，才可凭借价格优势，抢占更大的市场。
十多年前，数字温度计正式面世，初时确实令人眼前一亮。但在当时，这样的必需品并非人人都能负担得起。目前，这类产品已渐渐被市场淘汰，取而代之的是功能更齐备、效率更高、外型更美观而价钱则更低廉的设备。
便携式电子产品必须采用低功率" title="低功率">低功率的元器件，以便尽量减少系统功耗。放大器是这类便携式系统的重要组成部分，因为这类器件可以执行信号放大、滤波、转换及其他功能。
1 工艺技术
对于设计集成电路的工程师来说，只要适合的工具齐备，完成一款创新精巧的电路设计并不太难。从另一个角度看，工程师仅有设计才华并不足够，他们还需要倚靠先进的工艺技术，才可充分发挥其才华，解决一个个无法预见的棘手问题。
美国国家半导体公司率先开发的VIP50 BiCMOS工艺技术最适用于生产低功率芯片，这方面的优势非其他工艺所能代替。这种工艺技术的面世不但是便携式电子产品发展史上的一个里程碑，而且也标志着整个电子产业进入一个新世代。利用VIP50工艺技术生产的集成电路不但可以保证直流电操作时的准确性，而且还有超高准确度、极低功耗、更高速度及较低噪声" title="低噪声">低噪声等优点。5V 的LMV651 BiCMOS放大器便是利用这种工艺技术生产的一款产品。
2 可满足不同应用的不同要求
由于LMV651芯片具有高精度、高速、低功耗、低噪声以及广阔动态范围等优点，因此可以支持多种不同的应用，并确保不同系统都能充分发挥其性能。以低电压系统为例，放大器芯片除了必须符合低功耗的要求之外，还必须确保以低供电电压操作时只会产生极轻微的压降。此外，LMV651芯片内置电压摆幅极小的输出级，若以3V电压驱动10kΩ负载，其电压摆幅不会超过50mV；若驱动2kΩ的负载，电压摆幅大约只有80mV。由于这款芯片的动态范围广阔，因此最适用于低电压的系统。
LMV651芯片若以交流电操作，其表现也非常优异。这款芯片的电源抑制比(PSRR)高达95dB，可以确保便携式电子产品不会轻易受干扰而使电压下降，以致放大器的输入端出现错误，因此最适用于以电池供电的便携式电子产品。
LMV651芯片的共模抑制比(CMRR)高达100dB，只要将这款芯片搭配另外两颗放大器，便可组建内含3颗运算放大器的测量仪表。这是一个低功率及低成本的分立式解决方案。
3 噪声较低、封装小巧
按照目前的趋势估计，外型轻巧纤薄的便携式电子产品越来越受消费者的欢迎，因此便携式系统必须采用封装极为小巧的芯片。但封装越小巧，产生的问题便越多，例如准确度会受影响，噪声与功耗会较多，而最重要的一点是成本也会上升。
LMV651芯片采用超小型的SC70封装，输入偏移电压只有100?滋V，而宽带噪声则只有17nV/√Hz。此外，由于LMV651芯片内置双极前端电路，因此中频转角闪烁噪声较少。对于直流电操作准确性要求较高的系统来说，这是不可忽略的重要参数。
低噪声与小巧封装也有另一好处，如LMV651芯片可以用于高密度的电路板，而且不会轻易受电路板的噪声干扰。此外，由于封装较小，因此这款芯片可以置于靠近馈电线路的位置，有助于缩短线路长度以及减少不必要的电感。
4 低功率、高带宽
功率一旦降低，带宽必然会受到影响。部分便携式系统不得不采用两个串联一起的放大器，以便提供足够的带宽，并将功耗降至不影响性能的最低水平。
低功率放大器的应用范围非常广泛，除了便携式电子产品之外，工业设备如近距离感测传感器很多时都采用低功率放大器。LMV651芯片的单位增益带宽高达12MHz，压摆率达3V/?滋s，但供电电流则只需115?滋A，对于必须放大微弱信号的应用如流程控制系统来说，LMV651芯片是个理想的选择。由于这款芯片的单位增益带宽高达12MHz，因此无论采用反相还是非反相配置的高增益系统都适用。
5 低噪声、低失真
LMV651芯片具有低噪声、低失真(THD+N)及输出电流较为理想等优点，比其他同类的低功率芯片性价比高。这款芯片最适用于音频系统的前端电路，如噪声抑制电路。由于这款芯片采用SC70封装，因此最适用于耳机或个人数字助理等小型的电子产品及系统设计。
6 高精度与低功率的结合
系统设计工程师很多时要面对这个问题：系统若以直流电操作，芯片的准确性必须不受影响，但采用交流电操作时，有关芯片又必须能够充分发挥其性能。图1显示的复合放大器充分利用LMP7701的高精度特性。这款型号为LMP7701的高精度放大器采用美国国家半导体的VIP50工艺技术制造。LMV651芯片则置于电路的反馈部分，因此芯片的输入偏移电压及噪声因为开环增益极高而减少，以致变得微不足道。此外，由于整个电路的开环增益极高(两个放大器的乘积)，因此增益错误也较少。对于数据采集等系统来说，减少增益错误非常重要，因为这是系统出现错误信号的主要原因。
这款复合放大器可以充分利用LMV651芯片的较低压摆率，提供高带宽的快速信号处理，但总功耗仍然极低，大约只有800μA。反馈电容器可以减少瞬态信号产生的振铃振荡，确保增益稳定(不会出现尖峰)。LMV651芯片的反相节点与反馈电路之间可以在有需要时加插电容器，以便消除LMV651芯片输入偏置电流可能会产生的不利影响。
设计复合放大器时，最好预先核实其频率及瞬态响应，这样做会较为稳妥。可以先将100μV的微弱信号输入增益为100倍的复合放大器的输入端。若供电干线附近的输出摆幅没有任何振铃振荡或过冲，即表示频率的增益非常稳定。
图2显示该模拟电路的测试结果。相关元器件的数值只适用于这次模拟测试，实际操作时，有关数字可能会有出入。图2显示的两条曲线都各有40dB的增益(100)，可以利用反馈电容器消除增益尖峰。
图3显示LMV651芯片输出端的瞬态响应(上方的曲线)，下方的曲线显示复合放大器的压摆率为3V/μs，这个数值与LMV651芯片的压摆率一致。
7 轻巧纤薄、携带方便
毫无疑问，整个便携式电子产品市场以医疗设备等产品的增长为最快。血糖监控器、血液分析仪、助听器及血压监控器都纷纷采用低成本、低功耗及封装小巧的集成电路解决方案，确保电子产品更轻巧纤薄，电池寿命更长。但从目前的发展趋势来看，便携式医疗设备必须采用更创新的设计，才可确保产品更方便携带、响应更快。像ECG监控器这类产品必须能够迅速提供准确的测量数字，而且必须能够以无线方式在现场(例如救护车或事故现场)将数据实时传送给负责的医护人员。便携式ECG监控器简化结构图如图4所示。
由于这些便携式医疗测量设备非常灵敏，因此很易受噪声干扰，以致造成信号失真。LMV651芯片的中频转角噪声极低，而宽带噪声更低至只有17nV/Hz，比20kΩ电阻所产生的噪声还少。LMV651芯片具有低噪声及低静态电流的优点，因此系统设计工程师可以采用较小的电阻，以便减少系统的噪声及延长电池寿命。
LMV65x系列芯片不但设计创新，而且还采用先进的工艺技术生产，因此毫无疑问是目前最理想的放大器之一。此系列放大器目前有单组装及四组装两种可供选择，双组装的型号也即将推出。虽然此系列放大器最适用于便携式电子产品，但相信它的应用会迅速普及。