摘要
在需要多個運算放大器的設計中，設計師的第一反應是使用雙通道或四通道運算放大器，然后根據PCB版圖設計考慮來分配各個部分。在許多情況下這樣做沒什么問題，但對某些電路來說，謹慎地選擇單通道、雙通道或四通道運算放大器，并且進行恰當的劃分可以提高電路性能。本文將討論一些常見的電路，借此闡述兩個單通道或一個雙通道運算放大器在什么情況是正確的選擇。
歷史
Bob Widlar曾提出一個重要觀點，即集成電路的設計依據應該是比例和匹配，而不是電阻和晶體管的絕對值。這個原理同樣適用于需要多個運算放大器的PCB設計。
雙通道運算放大器真的是兩個運算放大器嗎？還是一個硅片具備兩個功能？
人們常常認為雙通道運算放大器等同于兩個單通道運算放大器，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。由于兩個運算放大器在相同的單個硅片上并排放置，因此在使用雙通道放大器時需要考慮電氣和散熱因素。
業(yè)界研究到熱效應已經有30多年的歷史了，并且在Solomon引用的一篇前50強IEEE論文有詳細的論述1。隨著運算放大器輸出電壓的改變，散熱量也隨之改變，會有一個熱波穿過整個芯片傳播到輸入級，使芯片失去平衡，并表現為一種電氣信號。熱波能夠同時影響兩個運算放大器，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算放大器所共享。如果一個運算放大器超出了正常工作范圍，并導致偏置電路出現故障，那么另一個運算放大器也會發(fā)生故障2。另外，由于只有一對電源引腳，邦定線和裸片上的一些金屬化層將承載兩個運算放大器的總電流。一個放大器吸收的電流將產生IR壓降，并通過隨頻率改變的PSRR指標反映到另一個運算放大器上。
使用雙通道運算放大器的優(yōu)點和缺點
優(yōu)點……
任何事物都不可能十全十美，因此使用雙通道運算放大器既有優(yōu)點也有缺點。有些優(yōu)點是顯而易見的。首先，單次插入比兩次插入更省制造成本。其次，大多數半導體制造商的雙通道運算放大器報價通常要低于兩個單通道運算放大器的成本。通過合并子電路，裸片面積通常小于單通道運算放大器的兩倍。再者，高速自動化測試設備(ATE)受類似運算放大器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。最后，由于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(guī)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。對于低帶寬、低電壓（低功耗）運算放大器來說，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）的高速運算放大器而言，這種結溫上升會非常明顯，大概有30℃。由于裸片應力原因，四通道運算放大器的最大失調電壓將高于雙通道或單通道運算放大器3。在某些情況下，雙通道運算放大器的失調電壓會比單通道運算放大器高，四通道運算放大器的失調電壓將比雙通道運算放大器高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(fā)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，由于只有一對電源引腳，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。運算放大器的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(fā)生的原因，有必要了解單通道、雙通道和四通道運算放大器的內部構造。
輸入級電路
運算放大器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，即使相差只有十分之一，電路也會變得不平衡。當增益為100,000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。如果兩個輸入晶體管的位置擺放得比較合適，熱波將同時到達兩個晶體管，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。將晶體管分成兩個部分，并進行交叉耦合，那么從某個角度傳來的熱波將同時影響兩個部分，影響程度將低于兩個獨立晶體管的情形。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，這里討論的是其最通用的含義。輸出晶體管和輸入晶體管應沿著圖1所示的中心線放置。
圖1
版圖設計還有許多其它考慮因素，如裸片應力、電阻的溫度系數等，這些因素在Hastings的文章中有很詳細的介紹6。
封裝引腳輸出
圖1中的版圖對單通道運算放大器來說完全沒有問題，但對雙通道運算放大器來說問題就出現了。雙通道運算放大器的標準引腳輸出如圖2所示。
圖2
圖3是雙通道運算放大器在晶體管級的一種可能的底層規(guī)劃圖。這里有個問題：通道B的輸出必須越過輸入線才能到達引腳7。在很早以前，雙極性模擬工藝還是采用的單層金屬化工藝，必須使用穿接(cross-under)方法，因此對性能會有影響。
圖3
圖3是一個很好的雙通道運算放大器版圖。輸入級非常靠近裸片中心，因此機械應力梯度最小。從一個輸出級到另一個輸入級的距離要大于另一種版圖。從輸出級到兩個輸入級的等溫線近似等距的并行線，因此交叉耦合輸入級四通道運算放大器的抑制能力很強。這種版圖的主要缺點是，輸出B必須跨越兩個輸入級才能到達輸出焊盤。從輸出金屬化到同相輸入金屬化的任何電容都將導致正反饋。這對幾年前的單層金屬化(SLM)工藝來說問題比較麻煩，不過通過這些運算放大器的低增益帶寬已經有所改善。這種版圖具有良好的散熱性能，但是，在規(guī)劃同一產品系列中的四通道版本時又會遇到問題。
雙通道版圖還有另外一種選擇，如圖4。
圖4
在一個產品系列中要規(guī)劃四通道產品時可以采用這種版圖，因為這種版圖可以被復制，再經垂直翻轉就能快速生成四通道版圖。輸入和輸出相當靠近正確的封裝引腳。四通道運算放大器的標準引腳輸出如圖5所示。
圖5
這種版圖存在幾個微妙的問題。1）輸入級不在裸片中心，而裸片中心是最低的機械應力梯度點，具有最小的失調電壓；2）從輸出級到輸入級的距離不夠遠；3）從一個輸出級到另外一個輸入級的熱波將使等溫線變成曲線，因而無法被交叉耦合的輸入對完全抑制，并造成從一個通道至另一個通道的串擾。
這些問題使設計師處于兩難境地：對雙通道運算放大器來說最優(yōu)的版圖對四通道運算放大器而言不是最優(yōu)的。每個單通道、雙通道或四通道運算放大器的單個版圖可以從頭開始設計，但考慮到上市時間和開發(fā)成本，標準設計過程是要盡可能多地重復利用某個設計。當某個產品系列中只需要單通道或雙通道運算放大器時，雙通道的版圖通常是最優(yōu)的。有趣的是，將圖3進行水平翻轉可以得到同樣的四通道版圖，因此與版圖設計合理的雙通道或單通道運算放大器相比，四通道運算放大器性能指標會較差。
幾年前，有個制造商做出了指標非常好的四通道運算放大器。秘訣是使用了一個特殊的引腳框，可接受兩個雙裸片，即混合器件或多芯片模塊(MCM)。這種產品需要在內部完成裝配，或與外部裝配工廠進行緊密合作。最終的良品率近似等于各個裸片良品率的乘積。例如，如果裸片良品率是99%，那么最終良品率將是0.99*0.99 = 98.01%，這是完全可以接受的。另一方面，如果裸片良品率為90%，對于規(guī)格要求很嚴的器件來說這是很有可能的，那么總的良品率將是0.9*0.9 = 81%。
好的例子
當通道間具有非常復雜的交互時，使用雙通道運算放大器的匹配特征何時才有意義呢？有兩種常見的應用可以考慮；自己構建三路運算放大器儀表放大器，并對關鍵應用進行相位補償。圖6是經典的三路運算放大器儀表放大器內部結構圖。
圖6
對于這種應用，一般人會使用四通道運算放大器，但請注意，A1和A2工作時的噪聲增益可能是5、10或更高。這意味著輸入失調電壓和輸入電壓噪聲很重要。A3有不同的要求，因此需要使用不同類型的運算放大器7。A3通常工作在很低的增益下，而且以儀表放大器總輸入為參考的輸入噪聲將被第一級電路的增益所除，因此重要性低得多。最后，第三個運算放大器的負載一般會比前兩個高。
輸入部分的失調電壓取決于A1和A2的Vos。市場上能夠保證兩個部分之間完全匹配的雙通道運算放大器不多。即使不能保證完全匹配，兩個運算放大器也存在一定程度的匹配。例如，AD8599數據手冊上的最大delta Vos是2.2 uV/℃，雖然手冊上沒有說明匹配性能，但對100個器件的隨機抽樣表明，最大差值不超過1 uV/℃。考慮最壞情況的設計應使用數據手冊上的最大Vos，然后由單片匹配提供額外的余量，從而實現可靠的設計。儀表放大器的最重要參數之一是共模抑制比(CMRR)。Pallás-Areny8表明，A1和A2的CMRR匹配可提高總的CMRR，這是輸入級使用單片雙通道器件的主要原因。
A1和A2的負載比較輕，但A3的負載很重，因此從電氣和熱性能上看，單片雙通道和單通道器件會更好。另外，從布線的角度考慮，這種應用也傾向于使用單片雙通道和單通道器件。順便提一下，輸出部分的直流和交流CMRR很大程度上取決于電阻匹配和寄生電容匹配，這是經常被忽視的一個因素。隨著多年來半導體制造技術的改進，采用激光微調薄膜電阻的單片差動放大器，如AD8271，可以比分立運算放大器和4個0.1%電阻的成本更低，而且具有更好的性能9。根據所需的CMRR與頻率關系、PCB尺寸、整體精度以及總的供電電流，完整的單片式儀表放大器（如AD822610）將是最佳選擇。
電力線監(jiān)控
對于單極點系統，總所周知當幅度減少3dB時相移是45度。另外一條有用的經驗就是，當頻率在角頻率之上10倍頻或角頻率之下10倍頻時，相位將分別偏離零度或偏離90度5.71度。
值得注意的是，即使是在低于角頻率100倍的頻率處，相移仍大于0.5度，并且幅度比設想的要稍低一些。
對于在幅度和相位方面需要特別高精度的系統，比如電力線監(jiān)控應用，可以使用一個運算放大器部分的交流特性補償另一個運算放大器部分的相位響應。基本概念如圖7所示，普通單極點系統（標示為未補償）和圖7系統（標示為已補償）的相位響應如圖8所示。圖中沒有提及什么數學關系，欲想了解更多細節(jié)，請閱讀參考文獻11,12,13。
圖7
圖8
糟糕的例子
信號鏈中的四通道運算放大器
如果是毫伏數量級的信號源，信號鏈必須具有低噪聲性能才能保持可接受的信噪比(SNR)。增益分配和選擇合適的單通道、雙通道或四通道運算放大器可以改善性能、降低總體成本。例如，在最大輸入信號為50mV、輸出10V到2kΩ負載情況下，增益要求達到200。
圖9中的四個模塊可以分別配置為緩沖器、增益為-1的反相累加放大器（用于校準整條信號鏈失調電壓）、增益為1的Sallen-Key濾波器和增益為200的電路級。
圖9
可以選擇一個四通道運算放大器滿足全部四個運算放大器的要求。但這是一種糟糕的設計，原因有以下幾個方面：1）為了使第一級電路有低的噪聲，必須選擇一個低噪聲的四通道運算放大器，如AD8674；2）在輸出級和輸入級之間的PCB上存在電氣耦合，在兩個部分之間的硅片上存在熱耦合；3）最后一級要求較大的增益帶寬。
一種較好的方案（雖然不是唯一的方案!）是將一些增益分配到信號鏈的前面。不過前面分配過多的增益將導致中間級過載。如果第一級增益為10，那么第二級貢獻的噪聲（以輸入為參考）等于第二級的噪聲除以10。隨著每一級增益的增加，后一級的要求可以不斷降低。購買一個昂貴的低噪聲四通道運算放大器實現所有4級模塊的成本效益就不如前兩級用低噪聲雙通道運算放大器、后兩級用低成本的通用雙通道運算放大器。
耳機放大器
即使可以用硅片構建一個完美的雙通道運算放大器，在封裝和PCB方面還有許多考慮因素。雙通道和四通道運算放大器只有一對電源引腳，而不是兩對或四對。邦定線的電阻可能在50至100mΩ之間，因此使用雙通道運算放大器的一個部分向低阻抗耳機提供100至200mA電流可能存在問題。典型原理圖上的多個接地符號都默認為0V，但實際上并不正確。如果某個接地符號是0V，那么由于IR壓降問題，所有其它符號都要比這個符號高或低幾個毫伏。一英寸的PCB走線很容易在意想不到的地方產生50mV以上的IR壓降。圖10顯示了理想的立體聲耳機放大器原理圖，它具有理論上無限的通道間隔離度。
圖10
圖11是實際的耳機放大器原理圖，通道間隔離度只有60dB。對這個電路的仿真表明，邦定線和片上金屬化層確實會導致一些串擾，但主要串擾源還是1/4英寸的PCB走線，這段走線是左通道負載和右通道信號源的公共接地回路。兩個單通道運算放大器具有更好的性能、更低的結點溫度、更高的可靠性和PCB版圖設計更容易的優(yōu)勢。
圖11
結束語
為了獲得最佳的系統性能和最低的系統成本，必須根據所需的合適運算放大器對每個方面進行評估。由于裝配的自動化和封裝尺寸的減小，采用單通道和雙通道運算放大器還是四通道運算放大器對總體成本沒有影響。通過對PCB版圖、性能隨溫度的變化、通道隔離度、相位匹配和成本的全面考慮，可以獲得一種單通道或雙通道運算放大器的最佳使用組合選擇。 |
