揭示運(yùn)算放大器未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，創(chuàng)新技術(shù)帶來(lái)電子設(shè)計(jì)新變革

從第一顆運(yùn)算放大器IC問(wèn)世到現(xiàn)在，運(yùn)算放大器技術(shù)已經(jīng)在半導(dǎo)體制造工藝和電路設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)工程師提供了一個(gè)目標(biāo)。理想放大器應(yīng)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(diào)電壓，它還應(yīng)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(shù)而做出的種種假設(shè)。

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(dāng)復(fù)雜的事情。其部分原因在于，系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jù)應(yīng)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(shè)計(jì)的工程師在不斷推動(dòng)技術(shù)發(fā)展，而在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，這種趨勢(shì)還將繼續(xù)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(jié)合，制造今天許多挑戰(zhàn)性應(yīng)用所需的“完美”型放大器。每一種應(yīng)用都是一個(gè)不同技術(shù)指標(biāo)的組合體，所以其使用的放大器數(shù)量也將不斷增加才能滿足其要求。與原來(lái)的運(yùn)算放大器相比，今天的產(chǎn)品擴(kuò)展了帶寬、降低了電源電壓、減小了功耗電流、節(jié)省了PCB面積而且降低了成本。隨著對(duì)信噪比(SNR)要求的增加，以及實(shí)際信號(hào)處理在家用電器和工業(yè)設(shè)備中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，這種趨勢(shì)還將繼續(xù)發(fā)展。

今天的制造工藝和電路設(shè)計(jì)

讓我們對(duì)需要外部補(bǔ)償和外部失調(diào)調(diào)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(shù)，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(yīng)用領(lǐng)域是工業(yè)儀器儀表；其低功耗特性意味著從±15 V電源中吸取幾毫安(mA)電流；制造商給出的技術(shù)指標(biāo)只強(qiáng)調(diào)其直流（DC）參數(shù)；這些產(chǎn)品合格率低，但是價(jià)格很高。

在當(dāng)今的精密放大器領(lǐng)域，微弱信號(hào)設(shè)計(jì)工程師關(guān)注一些重要因素，例如低電源電流、低失調(diào)電壓、低噪聲、低偏置電流等。最新放大器采用創(chuàng)新設(shè)計(jì)和工藝，能夠提供不斷超越用戶期望的性能。設(shè)計(jì)工程師使用電路和產(chǎn)品測(cè)試技術(shù)(例如自穩(wěn)零、Digitrim數(shù)字微調(diào)、熔絲熔斷和激光微調(diào)電阻器等方法)，促進(jìn)優(yōu)化每一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，從而設(shè)計(jì)出幾項(xiàng)具體參數(shù)接近理想指標(biāo)的放大器。像AD8628這樣的放大器，已經(jīng)將其失調(diào)電壓指標(biāo)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(shè)計(jì)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(shù)字微處理器推動(dòng))的進(jìn)步中獲益，模擬放大器設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)；現(xiàn)在，模擬放大器設(shè)計(jì)工程師能夠克服CMOS工藝電壓噪聲較高的缺點(diǎn)，兼?zhèn)涞驮肼暫统推秒娏?可能來(lái)自氧化物絕緣柵極)。為達(dá)到這一目的，ADI公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)了專有的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(yùn)算放大器仍然使用雙極型工藝，因?yàn)檫@種工藝可以提供明顯的模擬設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)，而且?guī)缀醪恍枰M(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(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(JFET)等器件，顯著減小了管芯尺寸。這些在制造工藝上的新進(jìn)展，允許放大器設(shè)計(jì)工程師開(kāi)發(fā)出具有無(wú)與倫比性能參數(shù)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(cè)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(zhuǎn)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，縮小到甚至裸眼觀察不到的水平。

未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)

對(duì)于那些需要采用AA電池(5號(hào)電池)或鎳金屬氫化物(NiMH)電池供電的應(yīng)用而言，尺寸和功耗都是首要關(guān)注的問(wèn)題?，F(xiàn)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(dāng)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(jié)電池供電，精密放大器就能工作。為了節(jié)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(tǒng)誤差。例如，AD8555可為傳感器信號(hào)調(diào)理應(yīng)用提供許多前所未有的優(yōu)勢(shì)，例如增益調(diào)整、失調(diào)調(diào)整和故障檢測(cè)電路。集成度的進(jìn)一步增加可以包括線性度校正、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(shè)計(jì)趨勢(shì)將繼續(xù)為用戶提供更低價(jià)格、更小封裝且提高指標(biāo)的器件，R-R性能和功耗等現(xiàn)存問(wèn)題，將繼續(xù)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(nèi)繼續(xù)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(dāng)然，這也會(huì)是在非常小的封裝內(nèi)。各種封裝材料的進(jìn)步，還有望實(shí)現(xiàn)集成度更高的參數(shù)所規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)。

未來(lái)提供的放大器產(chǎn)品，也應(yīng)該更易于設(shè)計(jì)到系統(tǒng)中。而制造商們，也將把更多的精力集中在放大器的設(shè)計(jì)工具上。傳統(tǒng)的PSPICE模型將被更為精準(zhǔn)的模型所取代，后者包括了更多的放大器參數(shù)。附加的工具有助于分析放大器的穩(wěn)定性、DC誤差和AC誤差。設(shè)計(jì)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(hào)并且在網(wǎng)上評(píng)估放大器的通用性能?，F(xiàn)在用戶可以使用在線參數(shù)評(píng)估工具，快速有效地完成實(shí)時(shí)仿真，并且檢測(cè)出各種參數(shù)和體系結(jié)構(gòu)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?qū)Чぞ撸瑸樵O(shè)計(jì)工程師的問(wèn)題提供每天24小時(shí)在線的專家指導(dǎo)。

作者: Reza Moghimi

精密信號(hào)處理部應(yīng)用工程經(jīng)理

Craig Wilson

精密信號(hào)處理部技術(shù)專家

美國(guó)模擬器件公司