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| 四類運算放大器技術發展趨勢及其應用熱點 |
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| 文章來源： 更新時間：2011/5/22 11:25:00 |
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信息家電、手機、PDA、網絡等新興應用的興起，為運算放大器提供了活躍的舞臺，同時也對其提出新的技術要求。本專題將從技術特點、制造工藝與封裝技術等方面探討四類運算放大器的技術發展趨勢與應用熱點。
運算放大器歷經數十年的發展，從早期的真空管演變為現在的集成電路，根據不同的應用需求主要分化出通用型、低電壓/低功耗型、高速型、高精度型四大類運放產品。一般而言，高速運放主要用于通信設備、視頻系統以及測試與測量儀表等產品；低電壓/低功耗運放主要面向手機、PDA等以電池供電的便攜式電子產品；高精度運放主要針對測試測量儀表、汽車電子以及工業控制系統等。通用運算放大器應用最廣，幾乎任何需要添加簡單信號增益或信號調理功能的電子系統都可采用通用運放。
近年來消費電子、通訊、網絡等應用領域的發展對運放產品也提出新的技術要求，更低功耗、更小封裝以及良好的匹配性能都變得十分重要。為此，設計人員在設計方法上加創新，制造工藝與封裝技術的進步也為提升運放性能提供了一定的保證。在多方因素推動下，下一代運算放大器正朝著速度更快、集成度更高、價格更低的方向發展。
從市場需求的角度看，全球對放大器的需求都保持強勢增長。中國市場也不例外，尤其在消費和通訊領域。凌特公司信號調理產品線總經理Erik Soule表示，“通訊和網絡基礎設備市場已經開始復蘇，未來幾年這類設備在中國會有很大增長。而這些應用都需要高速ADC驅動器，以及低噪聲、低輸入偏壓運放等產品。”
ADI公司產品線經理Curt Ventola認為，未來放大器市場增長的驅動力主要有三方面：其一，便攜式應用的低功耗要求將推動具有低操作電源電壓/電流的放大器增長；其二，高分辨率應用需要能降低噪聲和失真度的放大器；其三，由于性能和價格壓力持續上揚，因此能夠集成其他功能的放大器前景樂觀。
意法半導體公司(ST)亞太區標準線性IC產品行銷經理Leon LEE也指出，測試和測量、通訊、醫療影像等領域的先進應用是提升放大器性能的主要驅動力；DSL和消費類視頻應用是最大的市場，而且未來將繼續此趨勢。其中，DSL運放的增長點主要在于線路驅動器。而整合了濾波、多路技術以及DC恢復等功能的消費類視頻放大器也被看好。
市場調查公司Databean資料顯示，高速、低電壓/低功耗、高精度三類運算放大器的市場預計在未來的五年會穩步增長，年復合增長率分別達到13%、8%及11%，通用運算放大器的年復合增長率預計為5%。從應用的角度講，不同的系統對運放有不同要求，選擇合適的運放對于系統設計至關重要。對于通信、高速測量儀表及超聲波設備等高速應用，交流特性極為重要。但對于低速的高精度系統，直流方面的特性則通常更為重要。衡量系統在交流特性方面的參數有信號帶寬、失真率、噪聲等；而衡量系統在直流特性方面的參數有輸入補償電壓、開環增益、輸入偏置電流及共模抑制比等。
本文將從應用需求、技術特點和工藝封裝等方面探討這四類運放的技術發展趨勢和應用熱點。
通訊和視頻應用使高速運放成為焦點
高速運放泛指頻寬高于50MHz的運放，而現在為了與信號鏈后端組件(例如高速ADC或處理器)的需求相匹配，運放的頻寬記錄已突破GHz。這主要源于后端組件的效能近年來顯著提升，因而位居信號鏈前端的運放為了與后端組件相匹配，以避免拖累信號鏈的整體效能表現，于是開始向高速化發展，未來高速運放可能躍升為主流運放產品。
據DataBean預測，高速運放將逐漸侵占其它運放產品的市場占有率。以出貨金額計，到2009年，高速運放占整體運放市場規模的比重將達到三成，而通用型運放則下降到兩成以下。
Intersil公司模擬信號處理部行銷副總裁Simon Prutton指出，驅動高速運放市場增長的主要應用是模擬視頻處理和傳送以及通訊系統。而且，伴隨更高的分辨率顯示和射頻頻譜的有效使用，這兩種應用在未來將會給設計人員提出新的挑戰。意法半導體公司亞太區標準線性IC產品行銷經理Leon LEE也表示，由于蜂窩電話、數碼相機、DVD/TV和多媒體應用的驅動，視頻放大器等高速運放將大幅增長。
總體而言，高速運放主要應用在xDSL調制解調器、機頂盒以及視頻系統中，或是擔任高速ADC的前級信號調整角色。這類運放對于信噪比和失真度的要求最為嚴格，因此半導體廠商在設計這種運放時，普遍采用差動輸出的形式。
與傳統采用“二入一出”架構的運放相比，“二進二出”的差動輸出由于同時輸出兩個反相的信號，因此系統工程師可以通過兩個信號的比較得知輸出信號在未受噪聲或失真影響前的波形，從而使設計工程師可以及時解決信號鏈上可能出現的問題。
例如ADI公司最新推出的高速運放AD8045，該器件具有易用的電壓反饋結構、歸一化增益穩定性，以及專為高性能系統而優化的引腳輸出。器件速度達到1GHz，并具有低噪聲和低失真等特性，適用于多種高速應用，包括醫療設備、自動測試設備以及數據采集系統。
針對高速視頻和監控應用，Intersil公布一款三放大器EL5367，它采用專有的定制結構來隔離其三個放大器，該器件打破了1GHz的速率極限。EL5367的總供電電流僅25mA，可在5V至12V的單供電電壓范圍內工作，能夠驅動高于QXGA(2048×1536象素)的分辨率應用。
典型的視頻驅動架構采用交流耦合或直流耦合方案。采用交流耦合的系統需要大的外部電容，但不需負電源軌。采用支流耦合的系統不需要昂貴的大外部電容，但需要負電源軌。Intersil的視頻放大器ISL59830則是在芯片上生成負電源軌并允許視頻信號的直流耦合，能用單獨3.3V電源供電。而凌特的LT6555/6是2:1多路復用三通道視頻放大器，適于LCD投影儀和高清晰度視頻應用。
便攜式應用催生低電壓/低功耗運算放大器
隨著手機、PMP等依賴電池供電的便攜式產品出現，強調低功耗、低電壓的運放應運而生。一般定義下的低電壓運放，指工作電壓低于2.5伏特，而所謂的低功耗運放，通常指供電電流低于1mA。這類運放大多用在音頻系統或是電壓比較電路、濾波器等不需要太高頻寬的應用。
此外，在測試、測量和醫療系統，工程師也希望在低功耗水平下獲得改進的性能(例如，更高的帶寬、更快的轉換率和更低的失真度)，所以在這些領域低功耗運放也有創新機會。
針對便攜式視頻應用，ADI公司推出ADA4850-X系列放大器，能提供軌至軌(R-R)輸出特性，工作電源電壓低于2.7V。該產品可大幅降低失效電流，能夠延長便攜式視頻應用的電池壽命。
此外，ADI的6通道視頻放大器ADA4410-6還整合了視頻濾波器，是一種單芯片解決方案。該產品能夠節省50%的功耗同時具有高可靠性。能使用戶獲得具有最佳高清晰度視頻影像質量的低成本方案。
美信的低成本、低功耗、高端功率/電流監視器MAX4210/MAX4211，提供與負載功耗成正比的模擬輸出電壓，負載功耗用負載電流乘以源極電壓計算。MAX4210/MAX4211利用高端電流檢測放大器來測量負載電流，由于不影響負載的接地通道，因而尤其適合電池供電系統。
測試測量等應用推進高精度運放發展
高精度運放一般指失調電壓低于1mv的運放。與低電壓/低功耗運放不同，這類產品由于對信號精準度的要求極高，如果將這類運放整合到后端芯片中形成SoC，其它電路的噪聲將嚴重干擾此類運放的正常運作，因此就現階段的技術來看，這類運放將是最不容易被整合的組件。高精度運放可用于工業自動化、醫療器材、量測儀器、汽車電子、甚至軍事國防等不同領域。
不同的應用對放大器提出不同的技術要求。美信公司多媒體業務部應用工程師 Prashanth Holenarsipur指出，用戶在尋求理想的運放，他們希望獲得針對特殊應用的附加特性，以及極小的封裝和低電源電流，多種需求為制造精密運放帶來挑戰。
Intersil的EL8176 和 EL8178可實現100微伏的最大輸入補償電壓，而達到這點只需75毫安的電流，并能獲得700 kHz的增益帶寬。
凌特推出的LT1994是3V 和5V電源供電的高性能全差分運放，能提供16位精度，可驅動高分辨率模數轉換器。該器件在電壓低至 2.375V 時仍保證工作，并具有軌至軌輸出，無需負電源就可直接驅動2.5V 和3V的SAR ADC。
凌特的Erik Soule 介紹說:“由于模數轉換器向更低電壓、單電源和高性能發展，因此需要能夠于不降低性能的前提下在共模電源軌上工作的差分放大器。LT1994 滿足了這種需求，為客戶提供了能夠驅動16 位ADC的單電源解決方案。”
此外，凌特還發布了兩款高電壓(105V)電流檢測放大器。其中LTC6101采用小型SOT封裝，具有1uS的快速響應時間和高精度；LT6100結合高精度和管腳配置的特性，不需外部增益設置電阻。
通用運放在傳統應用領域仍有發展空間
雖然隨著應用需求不斷變更，運放供貨商必須順應市場變化推出相應的新產品。然而因為運放在業界已被廣泛采用數十年之久，有些應用產品的生命周期也長達十多年，因此很多傳統產品仍有其一定的市場需求，例如在汽車與工業自動化領域，就有很多設備還是需要用到傳統的通用運放。
通用運放對工程師而言，可以說是最常用的半導體組件之一。通過外部電阻的不同配置，一顆運放可以對輸入信號進行各種微調后再輸出，以符合信號鏈后端的ADC、電源管理芯片等組件的輸入信號要求。正因為其簡單易用的特性，再加上極為經濟實惠的價格，因而使得這類放大器始終在出貨量上穩居運放市場的主流地位。
然而，為順應pcb板尺寸不斷縮水，以及制造工藝發展所造成的輸入電壓下降的趨勢，通用型運放也必須革新應變。例如凌特推出的LT1990/1/2/5/6放大器，就集成了精度匹配電阻，不同型號按照高精度、高速度或高電壓應用進行優化，可用作反相、非反相或差分放大器連接。
綜上所述，未來高速運放有望取代通用運放成為主流產品，但從整體看，各類運放的市場規模都將呈現增長態勢。便攜式音頻/視頻播放器、無線通訊、醫療成像、工業和儀器儀表等應用領域都將為下一代運放創造新的機會。
制造工藝與封裝技術進步提升運放性能
新應用對運放提出諸如高速、低功耗、高集成度等新的技術要求。為此，設計人員不斷探索新的設計方法，但只從設計著手不足以實現具有競爭力的產品，只有配合適當的制造工藝和封裝技術才能將不斷優化產品性能，適應新的應用需求。美國國家半導體(NSC)亞太區放大器產品市場經理胡國佳指出，“運放產品的競爭力其實是電路設計、制造工藝技術、封裝技術三者的函數，少了任何一個環節，都無法在市場上推出具有競爭力的產品。”
目前運放產品主要采用CMOS、雙極、BiCMOS等工藝制造。許多運算放大器系列都提供單通道、雙通道和四通道三種封裝形式，從而為設計提供了最大的靈活性。各種新型封裝的電路板占位面積正在日益縮小。單通道運算放大器可采用SOT23封裝以及結構相似但外形更加小巧的SC70封裝，雙通道器件有SOT23-8封裝，采用WCSP芯片級封裝的運算放大器的占位面積更小。此外，領先半導體廠商還在不斷研發新的工藝和封裝技術以進一步提升運放產品的性能。
NSC表示已有針對低電壓、低成本、高速、低噪聲、高集成度等不同需求所設計的五種制造工藝。以低電壓、低功耗的運算放大器為例，由于NSC擁有先進的CMOS/BiCMOS工藝技術，而且可將產品裝配在極為小巧的封裝之內，因此早在1994年NSC就推出首款采用 SOT23封裝的單組裝運算放大器(LMC7101)，并在1997年推出采用SC70“矽塵”封裝的運算放大器(LMV321)。目前這兩種封裝已成為單組裝運算放大器的業界標準封裝。
為順應新一代通信設備、視頻產品及其它高速系統需要較低功耗的趨勢，NSC開發了自有的VIP10互補雙極工藝技術，這是一種速度快而又以電介質絕緣的互補雙極集成電路工藝技術，可以將深溝技術應用到壓焊圓片上，以便可以利用電介質實現完全絕緣，確保高速放大器可以充分發揮其性能。NSC在2001年推出首系列采用VIP10工藝技術制造的LMH系列高速運算放大器。
其中LMH6738和LMH6739，信號帶寬達到750MHz，可驅動目前應用中的最高分辨率視頻信號，其應用包括LCD投影機、多媒體設備、視頻會議系統和HDTV、xDSL調制解調器以及機頂盒等高速應用方案。
此外，ADI公司也利用先進工藝和封裝技術積極開辟放大器領域的新天地。該公司產品線經理Curt Ventola表示，ADI將憑借多年的設計經驗以及XFCB(超高速互補雙極型)工藝技術和WLCSP封裝技術開發出適合更多新要求的放大器產品。WLCSP 是一種晶圓級芯片封裝技術，可以讓芯片面積與封裝面積之比超過1:1.14，絕對尺寸僅有32平方毫米，約為普通BGA封裝的1/3，僅僅相當于TSOP封裝內存芯片面積的1/6。
而Intersil則采用互補 BiCMOS 工藝技術制造新型系列運放產品。其中包括電流反饋、電壓反饋、精度運放、低噪聲運放和各種差分線驅動放大器。
設計人員一直在尋求更好的性能，對于電池驅動系統，這通常表現在低功耗方面；而在工業、醫療和感測應用領域，精度和噪聲性能又成為關鍵指標，在某些情況下這就驅使采用更小的幾何工藝。
對于蜂窩電話和便攜式多媒體應用，要求放大器具有小巧的物理尺寸；兼容低電壓；待機狀態下具有最低的功耗；抑制電源噪聲，尤其對蜂窩電話而言；具有高效率，能提高電池使用壽命。這些特性上的要求需要采用先進的亞微米CMOS 或 BiCMOS工藝技術(0.5μm to 0.18μm)以及先進的封裝技術，例如倒裝芯片。
而對于DVD和其它視頻應用，帶有非常平直的30MHz帶寬的高速放大器可用于高清數字電視；在視頻放大器中集成重構的濾波器，可以濾除來自視頻數模轉換器的噪聲；多輸入/輸出視頻放大器支持不同格式的視頻信號，這就需要采用雙極或BiCMOS工藝技術。
目前ST正以小封裝形式提供低成本系列的寬帶、負輸入軌和輸出軌至軌運算放大器。其TSH8x器件可滿足大批量視頻應用要求，如RGB信號驅動和切換，這些應用需要低成本的高性能信號放大和信號調節。TSH80、TSH81和TSH82分別是單運放、有待機模式的單運放和雙電壓反饋運放器件。
凌特公司則采用CMOS、 BiCMOS、雙極和先進的射頻工藝技術，開發出各類放大器產品。例如該公司針對高性能視頻領域推出的型號為LT6553的放大器，分辨率超過了1600x1200像素，適用于SXGA和UXGA LCD投影儀及監視器、掃描儀，以及車載導航和車內視頻系統等汽車顯示器系統、數碼相機及CCD影像系統。對于簡單的多路復用和信號路由，LT6553具有關/閉功能，能夠在50ns內啟動，適合擴頻和便攜式應用。
德州儀器公司(TI)高速信號調節產品部戰略市場經理Jim Karki 表示，TI采用領先的工藝技術可滿足高速放大器用戶的不同要求。例如，OPA727就是TI采用e-trim技術設計的高精度、高速12V CMOS運算放大器，該器件屬于其Burr-Brown產品線。e-trim是TI的一種新型微調技術，能夠在制造的最終階段對失調電壓及溫度漂移進行校準。
對DSL應用而言，快速、高電壓處理很關鍵。目前TI正以新的工藝技術拓展在該領域的能力以滿足未來的需要。TI已推出高輸出電流、高增益帶寬的雙運算放大器OPA2614。該器件具有低輸入電壓噪聲和低諧波失真等特性，可為差動配置的DSL驅動器解決方案提供高動態范圍。Jim Karki透露，很快TI將發布更多的集成模擬視頻處理產品。
降低噪聲與提高集成度是未來運放發展的瓶頸
眾所周知，噪聲對運放是非常關鍵的指標。在大多數應用中，運放的前面都會有感測組件，其后端則有ADC與處理器，這些組件共同構成一個典型的信號傳輸路徑。由于運放周邊配置的外部組件會帶來噪聲，如果運放本身的噪聲也很大，那么對ADC而言，噪聲將會淹沒有效信號，這樣以來，不管ADC的分辨率與頻寬有多少，它輸出給處理器的就只有噪聲，這極大地影響了系統的正常運作。
所以不管是通用型、低電壓/低功耗、還是高精度或高速運放，都需要把組件本身的噪聲抑制到最低程度，才能有效實現信號路徑的整體匹配，達到最佳的應用效果。
此外，為滿足日益豐富的應用需求，放大器不再只是單一的產品，而是與其它器件集成在一起以提升性能與產品價值。例如在視頻放大器中整合濾波、多路技術以及DC恢復等功能。
而且，單一的放大器也需要集成更多特性。正如凌特的Erik Soule指出，對運放而言，多重特性集成是很重要的，因為設計人員經常要針對某種應用修改20到30個參數以優化放大器的特性和功能，這增加了設計復雜性。例如，為滿足便攜式產品低功耗的要求，新的放大器技術需要減小電壓和電流噪聲，同時還需要進一步降低成本，在更小的封裝中集成更多的性能。 |
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