放大器的發(fā)展趨勢

1、電流差分放大器的應用及發(fā)展運算放大器歷經數(shù)十年的發(fā)展,從早期的真空管演變?yōu)楝F(xiàn)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(tǒng)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(yè)控制系統(tǒng)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(tǒng)都可采用通用運放。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。近年來消費電子、通訊、網絡等應用

2、領域的發(fā)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(chuàng)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(fā)展。幾乎現(xiàn)階段每個完整的電子產品中都離不開放大器,而放大器性能的提高對電子產品的功能起著重要的決定作用。 說不清是放大器的發(fā)展決定了電子產品的發(fā)展進程還是電子產品的發(fā)展需求推動了放大器的發(fā)展空間,從電子產品的發(fā)展需求和放大器的發(fā)展趨勢分析中我們或許可以尋找到答案。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，

3、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?！?1 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(xù)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(qū)標準線性IC 產品行銷經理Leon LEE 也指

4、出，測試和測量、通訊、醫(yī)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；2 DSL 和消費類視頻應用是最大的市場，而且未來將繼續(xù)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(wěn)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(tǒng)對運放有不同要求，選擇合適的運放對于系統(tǒng)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

5、為重要。但對于低速的高精度系統(tǒng)，直流方面的特性則通常更為重要。衡量系統(tǒng)在交流特性方面的參數(shù)有信號帶寬、失真率、噪聲等；而衡量系統(tǒng)在直流特性方面的參數(shù)有輸入補償電壓、開環(huán)增益、輸入偏置電流及共模抑制比等。將從以下方面探討這四類運放的技術發(fā)展趨勢和應用熱點：一、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(xiàn)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(xiàn)，于是開始向高速化發(fā)展，未來高速運放可能躍升為主流運放產品。

6、3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(guī)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(tǒng)。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(zhàn)。意法半導體公司亞太區(qū)標準線性IC產品行銷經理Leon LEE也表示，由于蜂窩電話、數(shù)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。4總體而言，高速運放主

7、要應用在xDSL 調制解調器、機頂盒以及視頻系統(tǒng)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。5 與傳統(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)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(wěn)定性，以及專為高性能系統(tǒng)而優(yōu)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

8、于多種高速應用，包括醫(yī)療設備、自動測試設備以及數(shù)據采集系統(tǒng)。針對高速視頻和監(jiān)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。6 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（2048X 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(tǒng)需要大的外部電容，但不需負電源軌。采用支流耦合的系統(tǒng)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

9、直流耦合，能用單獨3.3V 電源供電。7 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。二、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(xiàn)，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(tǒng)或是電壓比較電路、濾波器等不需要太高頻寬的應用。8 此外，在測試、測量和醫(yī)療系統(tǒng)，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

10、也有創(chuàng)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(jié)省50%的功耗同時具有高可靠性。9 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(jiān)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

11、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(tǒng)。凌特的 Erik Soule 介紹說 : “由于模數(shù)轉換器向更低電壓、單電源和高性能發(fā)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?！贝送猓杼剡€發(fā)布了兩款高電壓 (105V) 電流檢測放大器。10 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。三、精密運算放大器精密放大器最初設計用于測試和測量設備,隨著汽車和生產線上的性能

12、監(jiān)視子系統(tǒng)的需要 , 具有低輸入偏移電壓和偏移電流以及低溫度系數(shù)和噪聲特征的精密放大器開始用于傳感器監(jiān)視。汽車OEM 對性價比的要求甚于對使用的精度放大器的要求。這意味著芯片制造商不得不尋找出路，以使用僅僅±5峨者甚至±3Vi到它們使用±15以能得到的精度。這促進了許多架構和微調技術方面的創(chuàng)新,在一定程度上,也促進了裸片上為了處理濾波或者校準、自動置零和數(shù)字微調的有關附加電路的集成。11 CMOS工藝線寬的不斷縮小讓芯片上可以增加額外電源。CT、MRI（核磁共振）和超聲波機等醫(yī)療系統(tǒng)中的通道計數(shù)急劇增加讓放大器必須跟上ADC的發(fā)展。就工藝而言，0.25科斑片規(guī)格似

13、乎是最佳點。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其他電路的噪聲將嚴重干擾此類運放的正常運作,因此就現(xiàn)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(yè)自動化、醫(yī)療器材、量測儀器、汽車電子、甚至軍事國防等不同領域。四、通用運放在傳統(tǒng)應用領域仍有發(fā)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(yè)界已被廣泛采用數(shù)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(tǒng)產品仍有其一定的市場需求,例如在汽車與工業(yè)自動化領域,就有

14、很多設備還是需要用到傳統(tǒng)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(wěn)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(fā)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(yōu)化,可用作反相、 非反相或差分放大器連接。12綜上所述

15、,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(guī)模都將呈現(xiàn)增長態(tài)勢。便攜式音頻/視頻播放器、無線通信、醫(yī)療成像、工業(yè)和儀器儀表等應用領域都將為下一代運放創(chuàng)造新的機會。13五、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(xiàn)具有競爭力的產品,只有配合適當?shù)闹圃旃に嚭头庋b技術才能將不斷優(yōu)化產品性能,適應新的應用需求。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

16、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SC7則裝,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(fā)新的工藝和封裝技術以進一步提升運放產品的性能。設計人員一直在尋求更好的性能,對于電池驅動系統(tǒng),這通常表現(xiàn)在低功耗方面;而在工業(yè)、醫(yī)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(tài)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

17、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（0.5 m to 0.18科m）以及先進的封裝技術，例如倒裝芯片。14而對于DVD和其他視頻應用，帶有非常平直的30MHz帶寬的高速放大器可用于高清數(shù)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(shù)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。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，

18、可為差動配置的DSL驅動器解決方案提供高動態(tài)范圍。Jim Karki 透露,很快TI 將發(fā)布更多的集成模擬視頻處理產品。六、降低噪聲與提高集成度是未來運放發(fā)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(shù)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(tǒng)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

19、最低程度,才能有效實現(xiàn)信號路徑的整體匹配,達到最佳的應用效果。15 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,而是與其他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。作為無線通信設備中最具關鍵的零組件之一，功率放大器（PA）除了關系到各種通信系統(tǒng)的通信品質外,同時也是系統(tǒng)設備中最消耗功率以及體積較大的電路組件。藉由功率放大器的作用,移動電話可將傳輸信號功率放大,再藉由射頻信道將信號發(fā)送出去。若將移動電話信號的發(fā)射比做人體血液的循環(huán) ，則PA可比做人體內心臟的角色，射頻信道則如同血管；好的PA正如同一顆強而有力的心臟 ，因此PA的好壞

20、直接影響到信號傳輸?shù)钠焚|。一般而言,功率放大器的應用領域涵蓋蜂窩行動通信系統(tǒng)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)、微波通信系統(tǒng)、雷達、軍事用途，以及ISM/WLAN等不同產品。其中又以移動通信系統(tǒng)為PA最大的應用領域。目前應用于移動電話中的PA依其種類可分為分布式晶體管組件、單芯片、以及模塊等型式。由于PA是移動電話零組件中耗電量最大的組件，因此在制程技術的采用上，具電子移動率低、高頻使用功耗低、且操作頻率高等優(yōu)點的GaAs制程技術變成了移動電話 PA主要的制程技術。隨著移動電話系統(tǒng)逐漸由2G 朝向 2.5G 與 3G 前進 ,操作溫度、耗電量、與效率等要求更加嚴格的情形下，PA廠商亦開始投入InGaP HBT E

21、-mode PHEMT等新制程技術的研 發(fā)與生產工作。另一方面,為了能使移動電話射頻組件進一步朝向整合,甚至是射頻系統(tǒng)單芯片的目標發(fā)展，制造成本較GaAs具競爭力，且性能逐步拉近的SiGe制程亦逐漸成為廠商極力發(fā)展的重 點。因此，隨著IDM與硅晶圓代工大廠紛紛投入SiGe制程，未來SiGe將可能成為GaAs半導體廠商在移動電話PA市場最大的競爭對手。值得注意的是,PA在移動電話中的應用最明顯的趨勢則是PA組件朝向模塊化產品的發(fā)展。自90年代末期，Conexant Systems與Hitachi相繼以多芯片模塊（MCMs）的方式制造 PA 后,PA組件由早期的分散組件模式逐步朝向MMIC,而近一

22、、兩年,則更進一步采用多芯片封裝技術整合了PA、 switch 和 filter 于同一個模塊上,因其簡便、易于使用的優(yōu)點,頗能適合須快速推出新產品的移動電話發(fā)展潮流。參考文獻：1. Keskin, A.U., et al., Quadrature Oscillator Using Current Differencing Buffered Amplifiers (CDBA). Frequenz, 2006. 60(3/4): p. 3.2. Koksal, M. and M. Sagbas, Second Order Band-Pass Filter Design Using Single CC-CDBA. Circuits, systems, and signal processing, 2008. 27(4): p. 14.3. TANGSRIRAT, W. and S. PISITCHALERMPONG, CDBA-based Quadrature Sinusoidal Oscillator.