作為電路設(shè)計(jì)中最基本的器件，運(yùn)算放大器可以構(gòu)造信號(hào)放大、信號(hào)傳輸、信號(hào)濾波等各種功能的電路，廣泛應(yīng)用于通信、PC、消費(fèi)、汽車(chē)和工業(yè)等領(lǐng)域中。和日新月異的消費(fèi)應(yīng)用相比，由于工業(yè)應(yīng)用中性能、穩(wěn)定和可靠性壓倒一切，工業(yè)運(yùn)算放大器技術(shù)和市場(chǎng)平穩(wěn)得沉悶。不過(guò)，手持儀表和便攜醫(yī)療設(shè)備等新興工業(yè)應(yīng)用，已促使低電壓、單電源等消費(fèi)應(yīng)用技術(shù)趨勢(shì)進(jìn)入工業(yè)領(lǐng)域。即使在最為傳統(tǒng)的±15V工業(yè)市場(chǎng)，TI、ADI、國(guó)半和凌力爾特等領(lǐng)先供應(yīng)商也紛紛發(fā)布了新一代垂直工藝，將低功耗和小體積等特性引入了高壓放大器。

通信產(chǎn)品對(duì)放大器需求增長(zhǎng)迅速，而工業(yè)應(yīng)用則相對(duì)平緩。rMLesmc

市場(chǎng)調(diào)研公司Databeans的數(shù)據(jù)顯示，2006年全球放大器市場(chǎng)增長(zhǎng)15%，達(dá)24億美元，預(yù)計(jì)未來(lái)幾年將保持8%的年復(fù)合增長(zhǎng)率，到2011年達(dá)35億美元，出貨量達(dá)160億個(gè)。消費(fèi)類(lèi)應(yīng)用是主要推動(dòng)力。TI負(fù)責(zé)高精度信號(hào)調(diào)節(jié)的全球市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理Joseph Stoupa表示：“便攜式音視頻設(shè)備市場(chǎng)方興未艾，不斷推動(dòng)新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，包括數(shù)碼相機(jī)、拍照手機(jī)、便攜視頻以及PMP等?！?P>

Stoupa：和消費(fèi)應(yīng)用類(lèi)似，工業(yè)放大器也向低電壓、單電源發(fā)展。

和消費(fèi)應(yīng)用相比，工業(yè)應(yīng)用中熱點(diǎn)不太突出而顯得比較分散，但工業(yè)放大器市場(chǎng)也在全球各地區(qū)保持穩(wěn)步增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。TI的Stoupa表示，2006年工業(yè)放大器市場(chǎng)表現(xiàn)強(qiáng)于2005年，傳統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用(如ATE、測(cè)試測(cè)量、過(guò)程控制及馬達(dá)控制等)以及新興市場(chǎng)的共同發(fā)展為該市場(chǎng)的快速成長(zhǎng)注入了強(qiáng)勁的推動(dòng)力。Databeans的數(shù)據(jù)顯示，今后5年間工業(yè)市場(chǎng)需求將保持8%到10%的年復(fù)合增長(zhǎng)率。

龔銘潭：VIP50工藝可以生產(chǎn)最先進(jìn)的低電壓及高精度放大器。

美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體亞太區(qū)高速放大器及顯示器產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理龔銘潭表示：“許多不同的工業(yè)應(yīng)用均對(duì)放大器有很大的需求，適用于測(cè)試及測(cè)量設(shè)備、汽車(chē)電子系統(tǒng)、醫(yī)療設(shè)備(例如成像和監(jiān)控系統(tǒng))以及通信設(shè)備等方面的放大器都具有極大發(fā)展?jié)摿??！绷枇柼毓?Linear)信號(hào)調(diào)節(jié)產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理Brian Black也認(rèn)為，增長(zhǎng)將來(lái)自多種應(yīng)用而不是一兩個(gè)特定市場(chǎng)的推動(dòng)。汽車(chē)中電子產(chǎn)品的增多、手持式儀表和便攜式醫(yī)療電子對(duì)更高性能和更多功能的需求以及工業(yè)應(yīng)用的增加都將是形成這一增長(zhǎng)趨勢(shì)的主要原因。

新一代工藝推動(dòng)高壓工業(yè)放大器開(kāi)發(fā)

和消費(fèi)類(lèi)放大器日新月異相比，工業(yè)放大器變化緩慢。TI高精度模擬產(chǎn)品亞洲區(qū)業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理官世明介紹說(shuō)，究其原因，一是工業(yè)應(yīng)用生命周期長(zhǎng)，對(duì)性能、穩(wěn)定和可靠性要求高，客戶(hù)考慮很?chē)?yán)謹(jǐn)，不會(huì)輕易更換放大器；二是工業(yè)放大器通常采用模式工藝，而模擬工藝非常穩(wěn)定，常常幾年甚至幾十年沒(méi)有變化。官世明表示：“與數(shù)字芯片更注重設(shè)計(jì)不同，生產(chǎn)工藝和設(shè)計(jì)一樣，是模擬廠商核心競(jìng)爭(zhēng)力的一部分，不同廠商都有自己的獨(dú)特工藝?！?P>

目前放大器的主要制造工藝有CMOS工藝和雙極工藝(Bipolar/BiCMOS)，CMOS和BiCMOS用得最多。CMOS工藝是絕對(duì)的主流，因?yàn)樗暮统杀镜停梢岳么S，適合消費(fèi)類(lèi)應(yīng)用；而互補(bǔ)雙極性工藝(BiCMOS)運(yùn)放的特點(diǎn)是高電壓、高速和高精度，常常用于±15V工業(yè)市場(chǎng)。圣邦微電子總裁張世龍介紹說(shuō)：“雙極性工藝制造的放大器精度高，噪聲低，但是輸入電阻較小，功耗大，并且軌至軌輸入和輸出沒(méi)有CMOS工藝好。CMOS工藝制造的運(yùn)放省電，功耗低，軌至軌輸入和輸出特性好，輸入阻抗高，但CMOS工藝運(yùn)放帶寬常常沒(méi)有雙極性寬。CMOS工藝常用于電壓反饋放大器，雙極性工藝常用電流反饋運(yùn)放設(shè)計(jì)?！?P>

由于Bipolar/BiCMOS是一種平面工藝，缺點(diǎn)是放大器功耗和體積很大，難以滿(mǎn)足系統(tǒng)需求。經(jīng)過(guò)多年的努力后，近兩年來(lái)，TI、ADI和國(guó)半等領(lǐng)先模擬廠商紛紛推出了新一代垂直工藝，旨在降低功耗、體積和系統(tǒng)成本。例如，ADI在2004年末發(fā)布了iCMOS(工業(yè)CMOS)工藝，將高電壓工藝與亞微米CMOS和互補(bǔ)雙極型工藝相結(jié)合。與傳統(tǒng)CMOS工藝不同，iCMOS工藝制造的模擬IC(包括放大器)能承受高達(dá)30V電源電壓，同時(shí)能提供突破的性能水平，降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本，而且降低85%的功耗和減小30%的封裝尺寸。而國(guó)半也在2005年下半年專(zhuān)門(mén)為供電電壓介于0.9V至12V之間的運(yùn)放開(kāi)發(fā)了VIP50工藝，它是一種采用絕緣硅(SOI)的BiCMOS工藝，可以大幅提高放大器精確度及電源使用效率。國(guó)半的龔銘潭表示：“因?yàn)閾碛蠽IP50工藝，我們可為市場(chǎng)提供最先進(jìn)的低電壓及高精度放大器。這種專(zhuān)有工藝也極適用于生產(chǎn)低噪聲及高速放大器?！?P>

在2006年末，TI也發(fā)布了基于其新型36V互補(bǔ)雙極硅鍺工藝(BiCom3HV)的首批高精度放大器——OPA211與OPA827，作為其采用BiCMOS工藝OPA277與OPA627的新一代版本。與業(yè)界同類(lèi)36V放大器相比，兩款放大器實(shí)現(xiàn)了超低噪聲、低功耗(降低30~50%)、小封裝尺寸(縮小70%)以及高帶寬等多種特性的結(jié)合，適用于測(cè)試測(cè)量、儀表、影像、醫(yī)療、音頻與過(guò)程控制等應(yīng)用。Stoupa表示：“引入絕緣硅技術(shù)縮小了晶體管尺寸。通過(guò)盡可能縮小NPN晶體管，TI晶體管尺寸僅為采用最先進(jìn)工藝的同類(lèi)產(chǎn)品的1/11?！?P>

OPA211是一款雙極輸入運(yùn)放，僅需3.6mA電源電流即可實(shí)現(xiàn)1.1nV/rtHz電壓噪聲與80MHz增益帶寬。它可提供100μV失調(diào)電壓、0.2μV/degC失調(diào)電壓漂移以及不足1μs的建立時(shí)間，支持軌至軌輸出振幅。OPA211的工作電源電壓范圍為±2.25V至±18V，采用8引腳MSOP或DFN封裝。3mm×3mm DFN封裝面積僅為標(biāo)準(zhǔn)8引腳SO封裝的1/3，沒(méi)有同類(lèi)產(chǎn)品可達(dá)到。官世明強(qiáng)調(diào)說(shuō)：“OPA211速度達(dá)80MHz，而靜態(tài)電流只有3.6mA，為業(yè)界最低。軌至軌輸出，沒(méi)有其它高壓產(chǎn)品可以做到，為業(yè)界獨(dú)創(chuàng)?！?P>

官世明指出：“工業(yè)PCB板比較大，對(duì)面積節(jié)省要求不如手持設(shè)備那么高，但減少面積，可以改善總體系統(tǒng)性能，如EMC。所以總體來(lái)說(shuō)，減少面積還是很意義?！彼€表示，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，BiCom3HV這類(lèi)高壓工藝可以借鑒CMOS工藝的一些做法，實(shí)現(xiàn)高壓和CMOS工藝更完美結(jié)合，朝向“理想放大器”發(fā)展，但近期實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較難。

便攜工業(yè)應(yīng)用向低電壓、單電源發(fā)展

除了傳統(tǒng)的±15V工業(yè)市場(chǎng)繼續(xù)穩(wěn)定增長(zhǎng)外，在手持儀表和便攜醫(yī)療設(shè)備等新興工業(yè)應(yīng)用的推動(dòng)下，工業(yè)運(yùn)放的另一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)是低電壓、單電源，而這種趨勢(shì)在消費(fèi)類(lèi)應(yīng)用中已十分常見(jiàn)。在低壓?jiǎn)坞娫磻?yīng)用領(lǐng)域，TI于06年推出了OPA333與OPA365。OPA333集DC精度(10μV)、低功耗(17μA，僅為最接近競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的1/10)、低噪聲(1.2μVpp)以及小型封裝(SC70)等眾多優(yōu)異特性于一身，特別適合便攜醫(yī)療與儀表應(yīng)用。OPA365采用創(chuàng)新的零交越、單輸入級(jí)架構(gòu)，以超低失真(0.0006%THD+N)實(shí)現(xiàn)了無(wú)干擾的軌至軌性能。該器件具備低噪聲(4.5nV/rtHz)與高速度(50MHz增益帶寬)，非常適合多種設(shè)計(jì)中的單電源應(yīng)用，其中包括便攜儀表、數(shù)據(jù)采集、音頻、便攜醫(yī)療以及測(cè)試測(cè)量系統(tǒng)等。而這兩款器件優(yōu)異的性能，來(lái)自于TI于03年推出的高精度模擬CMOS工藝HPA07。Stoupa指出：“新型HPA07低噪聲3.3V與5V CMOS工藝與高精度工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了緊密結(jié)合，將低電壓與工業(yè)高精度技術(shù)統(tǒng)一在一起，為T(mén)I推出眾多令人激動(dòng)的新產(chǎn)品鋪平了道路。1.8V OPA333與2.2V OPA365專(zhuān)為工業(yè)大眾市場(chǎng)而設(shè)計(jì)，能夠以低電壓實(shí)現(xiàn)超高性能?！?P>

針對(duì)便攜工業(yè)應(yīng)用，凌力爾特公司有3個(gè)超低功率運(yùn)放系列，其中，LT1494/5/6精確度最高，LT6000/1/2帶寬較寬，而LT6003/4/5功率最低。這3個(gè)系列的器件占板面積微小，可實(shí)現(xiàn)精確的低壓工作。LT6003系列電源電流低于1uA，供電電壓1.6V至16V，最大輸入失調(diào)電壓為500μV，而最大漂移為5μV/oC，是最精確的低壓超低功率運(yùn)算放大器。LT6003采用2mm×2mm DFN封裝，其占板面積是這個(gè)系列中最小的，輸入和輸出都可軌至軌工作，非常適合電池供電的手持式儀表。LT6000系列具有較高的工作帶寬，同時(shí)僅消耗16uA電流，并實(shí)現(xiàn)了卓越的精確度。LT1494系列器件在輸入電壓失調(diào)為375μV時(shí)具有最高的精確度，并且僅電源電流僅為1.5μA。Black表示：“很多軌至軌運(yùn)放都面臨一個(gè)難題，輸出接近兩個(gè)軌時(shí)，電源電流可能上升高達(dá)3倍，而這種情況會(huì)在啟動(dòng)時(shí)發(fā)生。如果設(shè)計(jì)師不考慮這種常未明確規(guī)定的情況，那么很多微功率放大器需要的電流就可能超過(guò)電源所能提供的電流，從而妨礙成功的上電時(shí)序。LT6000和LT6003系列采用了特殊的設(shè)計(jì)技術(shù)，以在實(shí)現(xiàn)真正微功率工作的整個(gè)工作范圍內(nèi)良好地運(yùn)作?！?P>

為不同的工業(yè)應(yīng)用選擇合適的運(yùn)放

Black：多種應(yīng)用推動(dòng)工業(yè)放大器市場(chǎng)。

和其它模擬器件一樣，放大器也是典型的目錄型產(chǎn)品，不同應(yīng)用有不同的性能要求和選擇標(biāo)準(zhǔn)。凌力爾特公司的Black表示，就工業(yè)應(yīng)用而言，通常關(guān)心的參數(shù)包括電壓失調(diào)、偏壓漂移、偏置電流、CMRR、輸入和輸出電壓范圍、電源電壓和電流、噪聲、帶寬以及轉(zhuǎn)換率。而國(guó)半的龔銘潭則指出：“一般來(lái)說(shuō)，測(cè)試與測(cè)量設(shè)備以及成像系統(tǒng)對(duì)噪聲及失真率都有較為嚴(yán)格的要求。部分制成品甚至肩負(fù)維系生命的重任，因此這類(lèi)產(chǎn)品所采用的信號(hào)路徑芯片必須符合最嚴(yán)格的要求?！?P>

而圣邦微電子的張世龍則列出了通常選擇運(yùn)放的12個(gè)步驟和參數(shù)：1.運(yùn)放供電電壓大小和方式選擇；2.運(yùn)放封裝選擇；3.運(yùn)放反饋方式，即是VFA(電壓反饋運(yùn)放)還是CFA(電流反饋運(yùn)放)；4.運(yùn)放帶寬；5.壓擺率大小，這決定全功率信號(hào)帶寬；6.Offset電壓和Offset電流選擇；7. Offset電壓隨溫度的漂移大小，即ΔVoffset/ΔT大?。?.運(yùn)放輸入阻抗選擇；9.運(yùn)放輸出驅(qū)動(dòng)能力大小選擇；10.運(yùn)放靜態(tài)功耗，即ICC電流大小選擇；11.運(yùn)放噪聲選擇；12.運(yùn)放驅(qū)動(dòng)負(fù)載穩(wěn)定時(shí)間。作為中國(guó)新興的高性能模擬廠商，圣邦微電子在過(guò)去的兩年時(shí)間里推出了11個(gè)系列的運(yùn)放，但目前主要針對(duì)便攜式和電池驅(qū)動(dòng)設(shè)備等消費(fèi)市場(chǎng)，這些運(yùn)放的供電電壓為2.1V~5.5V。

作者：潘九堂