揭示運算放大器未來(lái)發(fā)展趨勢，創(chuàng )新技術(shù)帶來(lái)電子設計新變革

從第一顆運算放大器IC問(wèn)世到現在，運算放大器技術(shù)已經(jīng)在半導體制造工藝和電路設計兩方面取得了巨大進(jìn)展。在大約40年的發(fā)展過(guò)程中，IC制造商們利用上述先進(jìn)技術(shù)設計出了近乎“完美”的放大器。雖然什么是理想放大器很難有一個(gè)精確定義，但它卻為模擬設計工程師提供了一個(gè)目標。理想放大器應該無(wú)噪聲、具有無(wú)窮大增益、無(wú)窮大輸入阻抗、零偏置電流以及零失調電壓，它還應該不受封裝尺寸限制，不占用空間。上述這些，都是許多教科書(shū)為了得到簡(jiǎn)單的傳遞函數而做出的種種假設。

為什么有如此多的選擇？

實(shí)際上，選擇放大器在今天是一個(gè)相當復雜的事情。其部分原因在于，系統設計要求的多樣性，以及電路配置的多重性，不同的放大器產(chǎn)品根據應用領(lǐng)域的不同需要在性能上進(jìn)行折衷。進(jìn)行放大器設計的工程師在不斷推動(dòng)技術(shù)發(fā)展，而在可預見(jiàn)的未來(lái)，這種趨勢還將繼續演進(jìn)。目前，ADI等制造公司，正在將新的工藝技術(shù)、新的封裝技術(shù)，以及新的制造能力進(jìn)行結合，制造今天許多挑戰性應用所需的“完美”型放大器。每一種應用都是一個(gè)不同技術(shù)指標的組合體，所以其使用的放大器數量也將不斷增加才能滿(mǎn)足其要求。與原來(lái)的運算放大器相比，今天的產(chǎn)品擴展了帶寬、降低了電源電壓、減小了功耗電流、節省了PCB面積而且降低了成本。隨著(zhù)對信噪比(SNR)要求的增加，以及實(shí)際信號處理在家用電器和工業(yè)設備中得到越來(lái)越廣泛的應用，這種趨勢還將繼續發(fā)展。

今天的制造工藝和電路設計

讓我們對需要外部補償和外部失調調整元件的放大器(比如LM709)做一簡(jiǎn)單的歷史性回顧。這些產(chǎn)品中的大多數，都是采用雙極型工藝在兩英寸晶圓上制造而成；它們僅提供雙列直插(DIP)封裝和TO-99金屬圓殼封裝，并且其主要應用領(lǐng)域是工業(yè)儀器儀表；其低功耗特性意味著(zhù)從±15 V電源中吸取幾毫安(mA)電流；制造商給出的技術(shù)指標只強調其直流（DC）參數；這些產(chǎn)品合格率低，但是價(jià)格很高。

在當今的精密放大器領(lǐng)域，微弱信號設計工程師關(guān)注一些重要因素，例如低電源電流、低失調電壓、低噪聲、低偏置電流等。最新放大器采用創(chuàng )新設計和工藝，能夠提供不斷超越用戶(hù)期望的性能。設計工程師使用電路和產(chǎn)品測試技術(shù)(例如自穩零、Digitrim數字微調、熔絲熔斷和激光微調電阻器等方法)，促進(jìn)優(yōu)化每一項技術(shù)指標，從而設計出幾項具體參數接近理想指標的放大器。像AD8628這樣的放大器，已經(jīng)將其失調電壓指標優(yōu)化到幾微伏(μV)。

制造商在工藝技術(shù)的各個(gè)方面都取得了重大進(jìn)步。這些進(jìn)步允許放大器設計工程師充分發(fā)揮每種工藝的性能和功能。CMOS工藝已經(jīng)從先進(jìn)技術(shù)(受到數字微處理器推動(dòng))的進(jìn)步中獲益，模擬放大器設計工程師們也早利用其獲得了低成本下的高性能。過(guò)去，超高性能放大器產(chǎn)品都需要利用雙極型工藝進(jìn)行設計；現在，模擬放大器設計工程師能夠克服CMOS工藝電壓噪聲較高的缺點(diǎn)，兼備低噪聲和超低偏置電流(可能來(lái)自氧化物絕緣柵極)。為達到這一目的，ADI公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)了專(zhuān)有的iCMOS工業(yè)CMOS工藝，并于不久前推出了具有最低噪聲(4.5 nV/√Hz)的CMOS放大器AD8651，和擁有超低電源電流(每放大器1微安)的AD8500。

但是，目前許多高性能運算放大器仍然使用雙極型工藝，因為這種工藝可以提供明顯的模擬設計優(yōu)勢，而且幾乎不需要進(jìn)行性能折衷。各種新的工業(yè)雙極型工藝，例如ADI公司的iPolar溝道隔離工藝技術(shù)，通過(guò)先進(jìn)的制造工藝和結型場(chǎng)效應管(JFET)等器件，顯著(zhù)減小了管芯尺寸。這些在制造工藝上的新進(jìn)展，允許放大器設計工程師開(kāi)發(fā)出具有無(wú)與倫比性能參數的產(chǎn)品。其中一個(gè)例子是AD8599，它將寬帶噪聲減小到幾乎測不到的程度(1 nV/√Hz)。

在高速放大器領(lǐng)域，超快速制造工藝(ultra-fast processes)允許ADA4899-1等器件具有310 μV/s的轉換速率和250 MHz的帶寬。

雖然管芯尺寸在不斷減小，但與此同時(shí)放大器性能卻在盡一切可能進(jìn)行提高，這就使得我們能夠能放大器封裝尺寸縮小到令人難以置信的程度，縮小到甚至裸眼觀(guān)察不到的水平。

未來(lái)的發(fā)展趨勢

對于那些需要采用AA電池(5號電池)或鎳金屬氫化物(NiMH)電池供電的應用而言，尺寸和功耗都是首要關(guān)注的問(wèn)題?，F在，放大器的工作電源電壓已經(jīng)降低到1.8 V，并且仍然在減小。當完全需要精密、低電壓工作和低功耗時(shí)，AD8500(1μA電源電流)是最佳選擇。只需單節電池供電，精密放大器就能工作。為了節省功耗，許多放大器產(chǎn)品還需要智能關(guān)斷電路。

將其它功能與放大器集成在一起也可以降低系統誤差。例如，AD8555可為傳感器信號調理應用提供許多前所未有的優(yōu)勢，例如增益調整、失調調整和故障檢測電路。集成度的進(jìn)一步增加可以包括線(xiàn)性度校正、頻率成形或其它功能，以便開(kāi)發(fā)更多完整的解決方案。

制造工藝和設計趨勢將繼續為用戶(hù)提供更低價(jià)格、更小封裝且提高指標的器件，R-R性能和功耗等現存問(wèn)題，將繼續得到改進(jìn)，而放大器則會(huì )更接近于其“理想”狀態(tài)。

工藝和封裝技術(shù)的不斷進(jìn)步，能夠在更小的封裝內繼續提高集成度，從而增加功能并提高性能。放大器還要集成其它功能，當然，這也會(huì )是在非常小的封裝內。各種封裝材料的進(jìn)步，還有望實(shí)現集成度更高的參數所規定的技術(shù)指標。

未來(lái)提供的放大器產(chǎn)品，也應該更易于設計到系統中。而制造商們，也將把更多的精力集中在放大器的設計工具上。傳統的PSPICE模型將被更為精準的模型所取代，后者包括了更多的放大器參數。附加的工具有助于分析放大器的穩定性、DC誤差和AC誤差。設計工程師使用SPICE模型模擬已選放大器的通用性能，從而可以選擇元件、快速配置電路、施加信號并且在網(wǎng)上評估放大器的通用性能?，F在用戶(hù)可以使用在線(xiàn)參數評估工具，快速有效地完成實(shí)時(shí)仿真，并且檢測出各種參數和體系結構中存在的潛在問(wèn)題。制造商將開(kāi)發(fā)出用于網(wǎng)站的向導工具，為設計工程師的問(wèn)題提供每天24小時(shí)在線(xiàn)的專(zhuān)家指導。

作者: Reza Moghimi

精密信號處理部應用工程經(jīng)理

Craig Wilson

精密信號處理部技術(shù)專(zhuān)家

美國模擬器件公司