令人頭痛:為何有如此多種運算放大器?

選擇對專案合適或「最佳」的運算放大器可能會令人望而生畏。即便您將尋找放大器的範圍限制在單一廠商,可能還是得要考慮數十款相當類似的元件,而且之後往往還有新上市的產品。廠商的選購指南雖有助於進行粗略類別的尋找 (例如高速、精密度、高電壓等),但這些分類還是有可能會重疊且有模糊地帶。

為什麼會有這麼多種運算放大器呢?憤世嫉俗的人可能會說:「因為廠商有能力如此做」,但這並非真正的原因。推出每個運算放大器款式及子款式都所費不貲,需要針對設計、製造、測試、認證、生產規劃、訂單履行、包裝等一個或多個因素進行變更。

而學術派的則會說這個問題的答案顯而易見:「因為完美的運算放大器並不存在。」雖然這個論點在技術層面上是正確的,但也不是真正的原因。事實上,您大概也不需要無限頻寬、完全零雜訊,而且一切完美無瑕的理想運算放大器,因為好得過頭未必是好事。比如說,要在應用中使用這種運算放大器,您可能需要添加外接濾波器來減弱外部雜訊,以免對運算放大器造成影響,而不是仰賴元件本身的有限頻寬。

市面上之所以會有這麼多種運算放大器,實際上是由兩個因素造成。首先,應用本身就極為多樣;其次,在工程層面上不可避免地需要做出取捨。以運算放大器來說 (其他許多元件也是如此),這些取捨並非簡單的是非問題,而是在程度上與優先權上有細微差別。

有些應用能容許某些參數值稍微不如預期,以在發生這種情況時,其他一兩個真正重要的參數能夠有優異的表現。例如,精密的儀器電路可能確實需要在寬廣的溫度範圍內達到低偏移漂移,而且還要接受額外的耗散以達到這個目標。然而要面對的問題依然是:「您願意付出多少代價來達到這個主要目標?」如果您可以在偏移漂移效能上取得 10% 的改善,但是要以某些次要規格提高 50% 為代價,值得嗎?

當然還得考慮成本因素:雖然大部份的應用都對成本相當敏感,但問題在於,要達到什麼程度成本才會變成關鍵因素?要是只需多花幾塊錢就能讓元件雜訊降低 10%,值得嗎?當然,教科書不會跟您說答案是什麼。

您可考慮這兩款「零偏移」運算放大器:Microchip TechnologyMCP6V51,以及 Texas InstrumentsOPA735。除了其他差異之外,Microchip 的這款元件具有 ±15 µV 的最大初始偏移,以及 ±36 nV/°C 的最大偏移漂移 (圖 1)。Texas Instruments 零件的最大初始偏移為 ±5 µV,是前述元件的三分之一;但最大偏移漂移則高出 50%,為 ±50 nV/°C (圖 2)。所以哪一款比較好呢?

圖 1:輸入偏移電壓與環境溫度是高精密運算放大器應用的關鍵規格。此圖以 Microchip Technology 的 MCP6V51 為例。(圖片來源:Microchip Technology)

圖 2:OPA735 以不同的形式呈現偏移電壓漂移,但很明顯僅有數個 nV/°C。(圖片來源:Texas Instruments)

這個答案看似簡單卻暗藏玄機,也是在許多工程設計中常聽到的答案:「要視情況而定。」在這個例子中,要取決於初始偏移值與偏移值相比有多麼關鍵,但這可能只適用於一種特定應用。

在決定要捨棄什麼以及要捨棄多少,以換取真正想要的結果時,需要謹慎考慮許多因素的相互作用並作出判斷,而這正是工程挑戰的核心。這往往是困難的決定,因為在進行設計審查時,每個人都可能會有不同但合理的觀點。

因此需考量的因素組合無限多,包括各種應用優先權、相對權重,也要作出「要什麼,捨棄什麼」的決定。但好消息是,在許多情況下,選擇的多樣性將有助於作出非常相當不錯的決定。同樣地,選擇的多樣性也可能會令人難以適從並導致兩種可能性:設計人員可能會直接選擇第一個最接近理想的元件;或者單純選擇以前用過而且也相當滿意的廠商與元件。

諷刺的是,雖然市面上已經有許多款運算放大器,而且還有很多新產品陸續推出,但許多設計人員 (不論對錯) 最後還是會選擇他們最熟悉的元件。

關於作者

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Bill Schweber 是電子產品工程師,至今已撰寫三本有關電子通訊系統的教科書,以及數百篇技術文章、評論專欄,及產品特色介紹。他曾擔任 EE Times 的多個特定主題網站的技術網站管理人,以及 EDN 的執行編輯和類比技術編輯。

在類比和混合式訊號 IC 領導廠商 Analog Devices, Inc. 任職期間,Bill 從事行銷溝通 (即公關) 職務,因此他在技術及公關職能兩個方面皆有實務經驗,能與媒體雙向交流公司產品、業務事例及傳遞訊息。

Bill 在加入 Analog 從事行銷溝通職務前,原在業界舉足輕重的技術期刊擔任副主編,也曾任職於該公司的產品行銷和應用工程團隊。在此之前,Bill 於 Instron Corp. 從事材料測試用機器控制的類比電路和電源電路設計以及系統整合。

他擁有麻薩諸塞大學電機工程碩士學位和哥倫比亞大學電機工程學士學位,為註冊專業工程師,並持有進階級業餘無線電執照。Bill 也曾就各類工程主題進行線上課程的規劃、撰寫及講授,包括 MOSFET 概論、ADC 的選擇以及驅動 LED。

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