新研發低功耗軌到軌運算放大器 aRD820 的性能分析

Concepts de base

本文介紹了一款名為 aRD820 的新型低功耗軌到軌運算放大器的設計、開發和評估，該放大器旨在作為行業標準 AD820 的經濟型替代品，並展示了其在多項關鍵性能指標上與 AD820 相當或更優的表現。

Résumé

aRD820 運算放大器：設計、性能與 AD820 之比較

本研究論文深入探討了新研發的低功耗軌到軌運算放大器 aRD820，重點關注其設計、性能分析以及與業界標準 AD820 的比較。

引言

運算放大器 (op amps) 作為類比電子學中的關鍵元件，廣泛應用於訊號調節、儀器儀表、電壓調節和類比數位轉換等領域。本論文旨在介紹 aRD820 的設計、開發和評估，它是一款低功耗、軌到軌運算放大器，可作為業界標準 AD820 的經濟高效替代品。

設計與方法

aRD820 的設計基於 AD820 原型電路，針對 RD Alfa Microelectronics 的生產能力進行調整，並針對複製 AD820 過程中遇到的特定限制進行了修改。

• 生產限制的挑戰： 最初嘗試複製 AD820 電路時，測試晶片出現了性能缺陷，原因包括：使用的 N 溝道 FET 電晶體噪聲性能較差、電晶體輸出特性「歐姆區」較寬導致跨導較低、FET 電晶體閘截止電壓差異大、薄膜電阻性能差等。
• 設計修改： 為了解決這些問題，對 AD820 的電路圖進行了修改，重新設計了輸入級、第二級（預最終級）、輸出級和電流參考級，以增強噪聲性能、擴展輸入訊號範圍、穩定輸入電晶體上的電壓並解決相位穩定性問題。
• 結構設計： aRD820 採用了 n-p-n、p-n-p 和 n-FET 三種核心電晶體配置的結構化方法，多層結構設計確保了放大器工作穩定性和可靠性所需的精確電氣特性。

結果與討論

對晶圓形式和 TO-5 封裝內的 aRD820 晶片進行了測試，結果表明 aRD820 在多項關鍵性能參數上滿足或超過了預期性能基準。

• 偏移電壓： 在常溫和極端溫度下，aRD820 的偏移電壓均在預期範圍內，與 AD820 的數據表顯示的結果相似。
• 輸入偏置電流： 在常溫和極端溫度下，aRD820 的輸入偏置電流均低於預期限制，與 AD820 的性能相當。
• 輸入偏移電流： aRD820 的輸入偏移電流在常溫和極端溫度下均低於預期限制。
• 開環增益： aRD820 在不同負載電阻和電源電壓下均表現出穩定的開環增益，在 2 kΩ 負載電阻下，低頻時約為 100 dB。與 AD820 相比，aRD820 在某些條件下表現出更高的增益。
• 輸出飽和電壓： aRD820 的輸出飽和電壓（高）和輸出飽和電壓（低）均在規定的最大限值以下，與 AD820 數據表中呈現的趨勢一致。
• 電壓噪聲： aRD820 的電壓噪聲特性符合計劃規格，確保了放大器適用於靈敏訊號應用。
• 動態響應： aRD820 和 AD820 在時變訊號的小訊號響應（單位增益跟隨器）測試中表現出相似的性能。

結論

aRD820 運算放大器的開發和測試展示了低功耗、軌到軌運算放大器技術的進步。通過調整 AD820 的設計以適應 RD Alfa Microelectronics 的製造能力和材料限制，aRD820 在解決 AD820 複製過程中遇到的特定限制的同時，實現了可媲美的性能特徵。實驗結果驗證了設計修改，並為未來的改進和商業應用奠定了堅實的基礎。

Stats

aRD820 的設計目標是工作在 5 到 30 伏的單電源電壓或 ±2.5 伏到 ±15 伏的雙電源電壓下。
aRD820 的關鍵規格包括低電壓噪聲（從 0.1 到 10 赫茲，峰峰值小於 4 微伏；約 13 納伏/√赫茲）、超低輸入偏置電流（小於 15 皮安）和低偏移電壓（小於 500 微伏）。
aRD820 晶片在常溫下的輸入偏移電流呈現正態分佈。
aRD820 在常溫和 2 kΩ 負載電阻下的開環增益呈現對數正態分佈。
aRD820 的開環增益在負載電阻超過 1 kΩ 時呈現線性關係。
在較高的電源電壓下，AD820 的開環增益較高，而 aRD820 的開環增益則相反。
aRD820 在 0.1 赫茲到 10 赫茲的電壓噪聲平均為 3 微伏峰峰值。
aRD820 的輸入電壓噪聲密度值為 13.5 - 18.1 納伏/√赫茲。
aRD820 在約 1.5 - 2 兆赫茲的開環增益為 0 dB。
在 60 攝氏度時，aRD820 和 AD820 的輸入偏置電流均達到約 20 皮安。
aRD820 的訊號上升時間約為 0.1 微秒，穩定時間約為 1 微秒。
AD820 的訊號上升時間約為 0.2 微秒，穩定時間約為 0.5 微秒。

Citations

Idées clés tirées de

Performance Analyses of the Newly Developed Operational Amplifier aRD820

by Aigars Atvar... à arxiv.org 11-15-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.08976.pdf

Questions plus approfondies

aRD820 的設計如何影響其在特定應用中的性能，例如高增益放大或低頻濾波？

aRD820 的設計針對低功耗、軌對軌操作以及低噪音、低輸入偏置電流和低失調電壓進行了優化，這些特性會影響其在高增益放大或低頻濾波等特定應用中的性能：
高增益放大:

優勢:

aRD820 具有高開環增益，在低頻下約為 100 dB，這使其適用於高增益放大應用。
軌對軌輸出特性確保了更大的輸出電壓擺幅，從而實現更高的信號電平。

限制:

開環增益隨頻率增加而降低。對於高頻信號，增益可能不足以滿足應用需求。
與 AD820 相比，aRD820 在高源電壓下的開環增益較低，這可能會限制其在需要較高電壓工作點的應用中的性能。
低頻濾波:

優勢:

aRD820 的低輸入偏置電流 (< 15 pA) 和低失調電壓 (< 500 µV) 對於低頻濾波器至關重要，因為它們最大程度地減少了電路中的誤差和漂移。
低噪音特性確保了在低頻下處理微弱信號時具有良好的信噪比。

限制:

aRD820 的增益帶寬積相對較低，這可能會限制其在高階濾波器設計中的適用性，因為高階濾波器需要更寬的頻率響應。
總之，aRD820 非常適合需要低噪音、低失調和軌對軌性能的低頻、中等增益應用。但是，對於高頻或非常高增益的應用，設計人員應仔細考慮其增益帶寬積和高源電壓下的增益特性。

考慮到 AD820 已經是市場上的成熟產品，aRD820 如何才能在價格之外的方面吸引潛在用戶？

雖然 AD820 是一款成熟的產品，但 aRD820 仍可通過以下幾個關鍵特性吸引潛在用戶：

針對特定生產工藝的優化設計: aRD820 針對 RD Alfa Microelectronics 的生產設施進行了調整，這意味著它可以利用現有製程，並有可能降低製造成本，從而轉化為更具競爭力的價格。
改進的性能特性: 雖然 aRD820 的整體性能與 AD820 相當，但在某些方面，例如輸入偏置電流和特定負載電阻下的開環增益，它表現出更優異的性能。這些優勢可以吸引那些重視這些特定參數的用戶。
供應鏈彈性和選擇: 作為 AD820 的替代品，aRD820 為客戶提供了供應鏈彈性和選擇。這對於那些希望避免依賴單一供應商或正在尋找具有類似性能但來自不同製造商的產品的客戶尤為重要。
此外，RD Alfa Microelectronics 可以通過以下方式進一步提升 aRD820 的吸引力：

強調 aRD820 的獨特優勢: 積極推廣 aRD820 在特定應用中的優勢，例如低功耗、低噪音和軌對軌操作。
提供出色的技術支持和文檔: 為客戶提供全面的數據表、應用筆記和設計工具，以簡化 aRD820 的設計過程。
建立強大的分銷網絡: 確保 aRD820 易於購買，並提供可靠的供應鏈，以滿足客戶需求。
通過專注於這些策略，RD Alfa Microelectronics 可以將 aRD820 定位為 AD820 的有力競爭者，並吸引廣泛的客戶。

如果將 aRD820 的設計理念應用於其他類型的類比電路，例如比較器或電壓基準，會產生什麼樣的影響？

將 aRD820 的設計理念應用於其他類型的類比電路，例如比較器或電壓基準，可能會產生以下影響：
比較器:

優勢:

aRD820 的軌對軌輸入和輸出特性將允許比較器在整個電源電壓範圍內工作，從而提高其多功能性。
低輸入偏置電流將最大程度地減少比較器輸入端的電壓降，從而提高其精度。
低噪音特性將允許比較器可靠地檢測微弱的信號變化。

挑戰:

aRD820 的響應速度可能不足以滿足高速比較器的要求。需要對電路進行優化以提高其響應時間。
電壓基準:

優勢:

aRD820 的低失調電壓和低漂移特性將有助於實現高精度電壓基準。
低功耗設計將使其適用於電池供電的應用。

挑戰:

aRD820 的輸出電壓精度可能不足以滿足高精度電壓基準的要求。需要額外的電路來提高其精度和穩定性。
總之，aRD820 的設計理念可以為其他類型的類比電路帶來潛在的優勢。然而，需要針對特定應用進行仔細的設計考慮和優化，以充分發揮其優勢。