运算放大器:单通道,双通道抑或四通道(下)

Harry Holt

(接上期)

好的例子

当通道间具有非常复杂的交互时，使用双通道运放的匹配特征何时才有意义呢?有两种常见的应用可以考虑；自己构建三路运放仪表放大器，并对关键应用进行相位补偿。图6是经典的三路运放仪表放大器内部结构图。

对于这种应用，一般人会使用四通道运放。但请注意，A1和A2工作时的噪声增益可能是5、10或更高。这意味着输入失调电压和输入电压噪声很重要。A3有不同的要求，因此需要使用不同类型的运放。A3通常工作在很低的增益下，而且以仪表放大器总输入为参考的输入噪声将被第一级电路的增益所除，因此重要性低得多。最后，第三个运放的负载一般会比前两个高。

输入部分的失调电压取决于A1和A2的Vos。市场上能够保证两个部分之间完全匹配的双通道运放不多。即使不能保证完全匹配，两个运放也存在一定程度的匹配。例如，AD8599数据手册上的最大delta Vos是2.2μV／℃，虽然手册上没有说明匹配性能，但对100个器件的随机抽样表明，最大差值不超过1μV／℃。考虑最坏情况的设计应使用数据手册上的最大Vos，然后由单片匹配提供额外的余量，从而实现可靠的设计。仪表放大器的最重要参数之一是共模抑制比(CMRR)。PallAs-Areny表明，A1和A2的CMRR匹配可提高总的CMRR，这是输入级使用单片双通道器件的主要原因。

A1和A2的负载比较轻，但A3的负载很重，因此从电气和热性能上看，单片双通道和单通道器件会更好。另外，从布线的角度考虑，这种应用也倾向于使用单片双通道和单通道器件。顺便提一下，输出部分的直流和交流CMRR很大程度上取决于电阻匹配和寄生电容匹配，这是经常被忽视的一个因素。随着多年来半导体制造技术的改进，采用激光微调薄膜电阻的单片差动放大器，如AD8271，可以比分立运放和4个0.1％电阻的成本更低，而且具有更好的性能。根据所需的CMRR与频率关系、PCB尺寸、整体精度以及总的供电电流，完整的单片式仪表放大器(如AD8226)将是最佳选择。

电力线监控

对于单极点系统，众所周知，当幅度减少3dB时相移是45度。另外一条有用的经验就是，当频率在角频率之上10倍频或角频率之下10倍频时，相位将分别偏离零度或偏离90度的5.71度(如表1)。

值得注意的是，即使是在低于角频率100倍的频率处，相移仍大于0.5度，并且幅度比设想的要稍低一些。

对于在幅度和相位方面需要特别高精度的系统，比如电力线监控应用，可以使用一个运放部分的交流特性补偿另一个运放部分的相位响应。基本概念如图7所示，普通单极点系统(标示为未补偿)和图7系统(标示为已补偿)的相位响应如图8所示。图中没有提及什么数学关系，欲想了解更多细节，请阅读参考文献。

糟糕的例子

信号链中的四通道运放

如果是毫伏数量级的信号源，信号链必须具有低噪声性能才能保持可接受的信噪比(SNR)。增益分配和选择合适的单通道、双通道或四通道运放可以改善性能、降低总体成本。例如，在最大输入信号为50mV、输出10V到2k Ω负载情况下，增益要求达到200。

图9中的四个模块可以分别配置为缓冲器、增益为，1的反相累加放大器(用于校准整条信号链失调电压)、增益为1的Sallen-Key滤波器和增益为200的电路级。

可以选择一个四通道运放满足全部四个运放的要求。但这是一种糟糕的设计，原因有以下几个方面：(1)为了使第一级电路有低的噪声，必须选择一个低噪声的四通道运放，如AD8674；(2)在输出级和输入级之间的PCB上存在电气耦合，在两个部分之间的硅片上存在热耦合；(3)最后一级要求较大的增益带宽。

一种较好的方案(虽然不是唯一的方案!)是将一些增益分配到信号链的前面。不过前面分配过多的增益将导致中间级过载。如果第一级增益为10，那么第二级贡献的噪声(以输入为参考)等于第二级的噪声除以10。随着每一级增益的增加，后一级的要求可以不断降低。购买一个昂贵的低噪声四通道运放实现所有4级模块的成本效益就不如前两级用低噪声双通道运放、后两级用低成本的通用双通道运放。

耳机放大器

即使可以用硅片构建一个完美的双通道运放，在封装和PCB方面还有许多考虑因素。双通道和四通道运放只有一对电源引脚，而不是两对或四对。邦定线的电阻可能在50～100mΩ之间，因此使用双通道运放的一个部分向低阻抗耳机提供100～200mA电流可能存在问题。典型原理图上的多个接地符号都默认为OV，但实际上并不正确。如果某个接地符号是OV，那么由于IR压降问题，所有其它符号都要比这个符号高或低几个毫伏。1英寸的PCB走线很容易在意想不到的地方产生50mV以上的IR压降。图10显示了理想的立体声耳机放大器原理图，它具有理论上无限的通道间隔离度。

图11是实际的耳机放大器电路图，通道间隔离度只有60dB。对这个电路的仿真表明，邦定线和片上金属化层确实会导致一些串扰，但主要串扰源还是1／4英寸的PCB走线。这段走线是左通道负载和右通道信号源的公共接地回路。两个单通道运放具有更好的性能、更低的结点温度、更高的可靠性和PCB版图设计更容易的优势。

结语

由于装配的自动化和封装尺寸的减小，采用单通道和双通道运放还是四通道运放对总体成本没有影响。通过对PCB版图、性能随温度的变化、通道隔离度、相位匹配和成本的全面考虑，可以获得一种单通道或双通道运放的最佳使用组合选择。

ST推出基于COnex—M3的STM32L超低功耗微控制器

日前，意法半导体(ST)宣布开始向主要客户提供STM32L系列微控制器样片，STM32L系列产品是业界首款来自全球十大半导体供应商之一的超低功耗ARM Cortex-M3微控制器。STM32L系列产品采用意法半导体独有的两大节能技术：130nm专用低泄漏电流制造工艺和优化的节能架构，提供业界领先的节能性能。

除极高能效外，STM32L还具备提高数据安全性、促进系统安全操作的诸多安全功能，包括灵活的欠压复位、片上闪存支持纠错码(ECC)、存储器保护单元(MPU)和JTAG熔断器。这些功能被推荐用于所有的需要安全产品特性和高度安全的代码及用户数据管理的应用。片上集成的USB2.0 Full Speed支持模块使STM32L还能支持移动外设。此外，STM32L系列微控制器内置的LCD驱动器。可轻松实现更低廉、更小的应用设计。