设计人员利用各种电源管理方案

减小运算放大器的功率

李德润5030209131

随着系统的变大，减小功耗在许多电子系统中变得更加重要，设计人员利用各种电源管理方案，为各子系统提供合理，必须的电源。关闭各个部分的电源很容易，而重新接通某部分的电源时，不仅应该考虑加电期间各步骤的次序，而且需要考虑系统中的设计变化，以确保加电成功。运算放大器加电需要遵循以下三步：

(1)要有合适的接地；

(2)加电前放大器输入引脚上无电压；

(3)给放大器加电。第一步通常很容易，多数时候放大器的接地引脚直接接地。

第三步中如果加电太快或太慢可能会带来问题。困难的是第二步，确保加电之前输入引脚上没有电压。在放大器加电时，输入引脚带电会造成以下后果，即：放大器闭锁，主要是CMOS放大器的问题；EDS(静电放电)二极管通电和不稳定输出，也会影响放大器。闭锁导致过热熔化当放大器内部的晶体管和它们下面的裸片基片之间的P-N接头产生寄生SCR时，就会发生闭锁。SCR是四层(PNPN) 器件，一旦触发就会保持导通，直到电源切断。

图1所示为互连的PNP及NPN晶体管的示意图，当电流在晶体管基极中流动时，电流将会自我生成，并把该结构锁在导通状态，导致焊线熔化或该零件损坏。这主要是CMOS 器件的问题。通过给放大器的输入引脚串联高阻值的电阻器可以消除闭锁。设计者需要在各种温度、供电电压和电源接通速度下评估电路，以避免闭锁。限制输入到放大器的电流，可以使放大器免于毁坏，但无法阻止闭锁。闭锁发生后，必须先切断其供电引脚和输入引脚的电源，再重新给放大器加电接通。ESD二极管提供保护途径现代放大器的引脚上都有一对ESD二极管，保护其内部电路免受静电放电的破坏。如果静电放电是“正”进入输入引脚(如图2所示)，那么高压侧二极管会把能量传导到电源的“正”电源电压轨。如果放电为“负”，那么低压侧EDS二极管会前向偏置，并把输入引脚固定到底部电源电压轨。在这种方式中，所有引脚偏离供电引脚不超过0.6 V。

图2中，当放大器处于断电状态时，输入引脚的低阻抗电压，使ESD二极管导电。如果串联兆欧级电阻，将会使ESD二极管前向偏置，导致3微安输入电流无法正常加电。如果放大器的输入引脚直接连接到电源，低阻抗源极可以提供足够电流，使二极管前向偏置，然后流入电路板的整个电源节点，为整个系统加电。如果电流足够大(~100毫良好的设计可以减少运算放大器的加电问题

图4随着温度降低V BE升高)，ESD二极管将会熔化并短路。和闭锁一样，解决办法就是给输入引脚增加串联电阻。这将确保不会有足够的电流通过ESD二极管给系统供电。ESD二极管本身可以承受数十毫安电流，因此它几乎不会损坏。但此时，浪费电流通常更成问题。应尽可能使电路中的电源和输入引脚设在禁用状态。

当放大器在规定电压以下工作时，就无法保证稳定输出。通常，输出在整个供电电压范围内摆动，直到放大器达到最低工作电压。过快加电可能会藕合到输出，也导致异常。因此，在放大器测试时，应确保所处的系统使用的电源与最终产品中的一样。由于模拟系统是用实验室电源开发测试的，而实际产品中有噪音、软启动转换开关等，为确保正常工作，在设计中应予以考虑。低温也会带来问题高温是系统设计的大敌。器件过热不仅费电，还导致性能受损，最终使零件熔化。同时，半导体的物理性能在低温时也不好。温度降低时，晶体管VBE会升高，并可能接近1V，如图4所示。1V的VBE使人们很难设计出在1.2V电源下的器件。另外，低温时还可能发生稳定性方面的问题，例如，有时在容性负载下可能会产生震荡。关键是利用器件数据表中处理温度效应的图表部分，在低温和高温下测试和评估设计系统。正确选择放大器可以有效地解决电源定序等许多问题。VIP10 IC采用电介质绝缘、互补双极性工艺，它在粘合的硅片上运用了深沟(deep-trench) 技术，实现了完全的电介质

绝缘和最优的高速放大器性能。还可以选择具有关闭功能的器件。给放大器一直供电，可以帮助把闭锁和ESD二极管供电问题降到最低程度。LMV118是一种满摆幅输出电压反馈放大器，工作频率达45MHz。输出电流达±20mA，自身仅耗电600μA。通过工艺增强(VIP10)和设计架构的共同作用，重要的器件参数，比如频宽范围、压摆率和输出电流，均相对独立于工作供电电压。在关闭模式下，LMV118所有内部器件偏置都被关掉，耗电降到最低程度，电流不足50μA。另外，放大器的输出进入高阻抗模式。LMV118的完全接通和切断时间在很大程度上将随输出负载情况、输出电压和输入阻抗变化，一般情况下，这些时间被限制在1μs以下。此外，LMV118可以工作在-40℃，确保器件在低温下的性能。

（这个星期有3，4门包括二专的考试，绝大部分的时间都投入了复习，没有好好认真地去写这篇论文，请老师原谅。这篇论文是我从网上查到的资料，通过自学弄清楚了减小运算放大器的功率基本原理。就大致地把主要的部分，复述出来。我觉得设计得合理，解决了如何处理电流足够大时，防止造成ESD二极管熔化并短路的问题，解决了低温也会带来问题，同时理解了一些专业性的名词。）