四类运算放大器的技术发展趋势及其应用热点

前言

运算放大器历经数十年的发展，从早期的真空管演变为现在的集成电路，根据不同的应用需求主要分化出通用型、低电压/低功耗型、高速型、高精度型四大类运放产品。一般而言，高速运放主要用于通信设备、视频系统以及测试与测量仪表等产品；低电压/低功耗运放主要面向手机、PDA 等以电池供电的便携式电子产品；高精度运放主要针对测试测量仪表、汽车电子以及工业控制系统等。通用运算放大器应用最广，几乎任何需要添加简单信号增益或信号调理功能的电子系统都可采用通用运放。
近年来消费电子、通讯、网络等应用领域的发展对运放产品也提出新的技术要求，更低功耗、更小封装以及良好的匹配性能都变得十分重要。为此，设计人员在设计方法上加创新，制造工艺与封装技术的进步也为提升运放性能提供了一定的保证。在多方因素推动下，下一代运算放大器正朝着速度更快、集成度更高、价格更低的方向发展。
从市场需求的角度看，全球对放大器的需求都保持强势增长。中国市场也不例外，尤其在消费和通讯领域。凌特公司信号调理产品线总经理Erik Soule 表示，“通讯和网络基础设备市场已经开始复苏，未来几年这类设备在中国会有很大增长。而这些应用都需要高速ADC 驱动器，以及低噪声、低输入偏压运放等产品。”
ADI 公司产品线经理Curt Ventola 认为，未来放大器市场增长的驱动力主要有三方面：其一，便携式应用的低功耗要求将推动具有低操作电源电压/电流的放大器增长；其二，高分辨率应用需要能降低噪声和失真度的放大器；其三，由于性能和价格压力持续上扬，因此能够集成其他功能的放大器前景乐观。
意法半导体公司(ST)亚太区标准线性IC 产品行销经理Leon LEE 也指出，测试和测量、通讯、医疗影像等领域的先进应用是提升放大器性能的主要驱动力；DSL 和消费类视频应用是最大的市场，而且未来将继续此趋势。其中，DSL 运放的增长点主要在于线路驱动器。而整合了滤波、多路技术以及DC 恢复等功能的消费类视频放大器也被看好。
市场调查公司Databean 资料显示，高速、低电压/低功耗、高精度三类运算放大器的市场预计在未来的五年会稳步增长，年复合增长率分别达到13%、8%及11%，通用运算放大器的年复合增长率预计为5%。从应用的角度讲，不同的系统对运放有不同要求，选择合适的运放对于系统设计至关重要。对于通信、高速测量仪表及超声波设备等高速应用，交流特性极为重要。但对于低速的高精度系统，直流方面的特性则通常更为重要。衡量系统在交流特性方面的参数有信号带宽、失真率、噪声等；而衡量系统在直流特性方面的参数有输入补偿电压、开环增益、输入偏置电流及共模抑制比等。
本文将从应用需求、技术特点和工艺封装等方面探讨这四类运放的技术发展趋势和应用热点。
1.通讯和视频应用使高速运放成为焦点

高速运放泛指频宽高于50MHz 的运放，而现在为了与信号链后端组件(例如高速ADC 或处理器)的需求相匹配，运放的频宽记录已突破GHz。这主要源于后端组件的效能近年来显著提升，因而位居信号链前端的运放为了与后端组件相匹配，以避免拖累信号链的整体效能表现，于是开始向高速化发展，未来高速运放可能跃升为主流运放产品。
据DataBean 预测，高速运放将逐渐侵占其它运放产品的市场占有率。以出货金额计，到2009 年，高速运放占整体运放市场规模的比重将达到三成，而通用型运放则下降到两成以下。
Intersil 公司模拟信号处理部行销副总裁Simon Prutton 指出，驱动高速运放市场增长的主要应用是模拟视频处理和传送以及通讯系统。而且，伴随更高的分辨率显示和射频频谱的有效使用，这两种应用在未来将会给设计人员提出新的挑战。意法半导体公司亚太区标准线性IC 产品行销经理Leon LEE 也表示，由于蜂窝电话、数码相机、DVD/TV 和多媒体应用的驱动，视频放大器等高速运放将大幅增长。
总体而言，高速运放主要应用在xDSL 调制解调器、机顶盒以及视频系统中，或是担任高速ADC 的前级信号调整角色。这类运放对于信噪比和失真度的要求最为严格，因此半导体厂商在设计这种运放时，普遍采用差动输出的形式。

与传统采用“二入一出”架构的运放相比，“二进二出”的差动输出由于同时输出两个反相的信号，因此系统工程师可以通过两个信号的比较得知输出信号在未受噪声或失真影响前的波形，从而使设计工程师可以及时解决信号链上可能出现的问题。
例如ADI 公司最新推出的高速运放AD8045，该器件具有易用的电压反馈结构、归一化增益稳定性，以及专为高性能系统而优化的引脚输出。器件速度达到1GHz，并具有低噪声和低失真等特性，适用于多种高速应用，包括医疗设备、自动测试设备以及数据采集系统。
针对高速视频和监控应用，Intersil 公布一款三放大器EL5367，它采用专有的定制结构来隔离其三个放大器，该器件打破了1GHz 的速率极限。EL5367 的总供电电流仅25mA，可在5V 至12V 的单供电电压范围内工作，能够驱动高于QXGA(2048×1536 象素)的分辨率应用。
典型的视频驱动架构采用交流耦合或直流耦合方案。采用交流耦合的系统需要大的外部电容，但不需负电源轨。采用支流耦合的系统不需要昂贵的大外部电容，但需要负电源轨。Intersil 的视频放大器ISL59830则是在芯片上生成负电源轨并允许视频信号的直流耦合，能用单独3.3V 电源供电。而凌特的LT6555/6 是2:1 多路复用三通道视频放大器，适于LCD 投影仪和高清晰度视频应用。

2.便携式应用催生低电压/低功耗运算放大器

随着手机、PMP 等依赖电池供电的便携式产品出现，强调低功耗、低电压的运放应运而生。一般定义下的低电压运放，指工作电压低于2.5 伏特，而所谓的低功耗运放，通常指供电电流低于1mA。这类运放大多用在音频系统或是电压比较电路、滤波器等不需要太高频宽的应用。
此外，在测试、测量和医疗系统，工程师也希望在低功耗水平下获得改进的性能(例如，更高的带宽、更快的转换率和更低的失真度)，所以在这些领域低功耗运放也有创新机会。

针对便携式视频应用，ADI 公司推出ADA4850-X 系列放大器，能提供轨至轨(R-R)输出特性，工作电源电压低于2.7V。该产品可大幅降低失效电流，能够延长便携式视频应用的电池寿命。
此外，ADI 的6 通道视频放大器ADA4410-6 还整合了视频滤波器，是一种单芯片解决方案。该产品能够节省50%的功耗同时具有高可靠性。能使用户获得具有最佳高清晰度视频影像质量的低成本方案。
美信的低成本、低功耗、高端功率/电流监视器MAX4210/MAX4211，提供与负载功耗成正比的模拟输出电压，负载功耗用负载电流乘以源极电压计算。MAX4210/MAX4211 利用高端电流检测放大器来测量负载电流，由于不影响负载的接地通道，因而尤其适合电池供电系统。

3.测试测量等应用推进高精度运放发展

高精度运放一般指失调电压低于1mv 的运放。与低电压/低功耗运放不同，这类产品由于对信号精准度的要求极高，如果将这类运放整合到后端芯片中形成SoC，其它电路的噪声将严重干扰此类运放的正常运作，
因此就现阶段的技术来看，这类运放将是最不容易被整合的组件。高精度运放可用于工业自动化、医疗器材、量测仪器、汽车电子、甚至军事国防等不同领域。
不同的应用对放大器提出不同的技术要求。美信公司多媒体业务部应用工程师 Prashanth Holenarsipur 指出，用户在寻求理想的运放，他们希望获得针对特殊应用的附加特性，以及极小的封装和低电源电流，多种需求为制造精密运放带来挑战。
Intersil 的EL8176 和 EL8178 可实现100 微伏的最大输入补偿电压，而达到这点只需75 毫安的电流，并能获得700 kHz 的增益带宽。
凌特推出的LT1994 是3V 和5V 电源供电的高性能全差分运放，能提供16 位精度，可驱动高分辨率模数转换器。该器件在电压低至 2.375V 时仍保证工作，并具有轨至轨输出，无需负电源就可直接驱动2.5V 和3V 的SAR ADC。
凌特的Erik Soule 介绍说:“由于模数转换器向更低电压、单电源和高性能发展，因此需要能够于不降低性能的前提下在共模电源轨上工作的差分放大器。LT1994 满足了这种需求，为客户提供了能够驱动16 位ADC 的单电源解决方案。”

此外，凌特还发布了两款高电压(105V)电流检测放大器。其中LTC6101 采用小型SOT 封装，具有1uS 的快速响应时间和高精度；LT6100 结合高精度和管脚配置的特性，不需外部增益设置电阻。

4.通用运放在传统应用领域仍有发展空间

虽然随着应用需求不断变更，运放供货商必须顺应市场变化推出相应的新产品。然而因为运放在业界已被广泛采用数十年之久，有些应用产品的生命周期也长达十多年，因此很多传统产品仍有其一定的市场需求，例如在汽车与工业自动化领域，就有很多设备还是需要用到传统的通用运放。

通用运放对工程师而言，可以说是最常用的半导体组件之一。通过外部电阻的不同配置，一颗运放可以对输入信号进行各种微调后再输出，以符合信号链后端的ADC、电源管理芯片等组件的输入信号要求。正因为其简单易用的特性，再加上极为经济实惠的价格，因而使得这类放大器始终在出货量上稳居运放市场的主流地位。
然而，为顺应PCB 板尺寸不断缩水，以及制造工艺发展所造成的输入电压下降的趋势，通用型运放也必须革新应变。例如凌特推出的LT1990/1/2/5/6 放大器，就集成了精度匹配电阻，不同型号按照高精度、高速度或高电压应用进行优化，可用作反相、非反相或差分放大器连接。
综上所述，未来高速运放有望取代通用运放成为主流产品，但从整体看，各类运放的市场规模都将呈现增长态势。便携式音频/视频播放器、无线通讯、医疗成像、工业和仪器仪表等应用领域都将为下一代运放创造新的机会。

5.制造工艺与封装技术进步提升运放性能

新应用对运放提出诸如高速、低功耗、高集成度等新的技术要求。为此，设计人员不断探索新的设计方法，但只从设计着手不足以实现具有竞争力的产品，只有配合适当的制造工艺和封装技术才能将不断优化产品性能，适应新的应用需求。美国国家半导体(NSC)亚太区放大器产品市场经理胡国佳指出，“运放产品的竞争力其实是电路设计、制造工艺技术、封装技术三者的函数，少了任何一个环节，都无法在市场上推出具有竞争力的产品。”
目前运放产品主要采用CMOS、双极、BiCMOS 等工艺制造。许多运算放大器系列都提供单通道、双通道和四通道三种封装形式，从而为设计提供了最大的灵活性。各种新型封装的电路板占位面积正在日益缩小。
单通道运算放大器可采用SOT23 封装以及结构相似但外形更加小巧的SC70 封装，双通道器件有SOT23-8封装，采用WCSP 芯片级封装的运算放大器的占位面积更小。此外，领先半导体厂商还在不断研发新的工艺和封装技术以进一步提升运放产品的性能。
NSC 表示已有针对低电压、低成本、高速、低噪声、高集成度等不同需求所设计的五种制造工艺。以低电压、低功耗的运算放大器为例，由于NSC 拥有先进的CMOS/BiCMOS 工艺技术，而且可将产品装配在极为小巧的封装之内，因此早在1994 年NSC 就推出首款采用 SOT23 封装的单组装运算放大器(LMC7101)，并在1997 年推出采用SC70“矽尘”封装的运算放大器(LMV321)。目前这两种封装已成为单组装运算放大器的业界标准封装。
为顺应新一代通信设备、视频产品及其它高速系统需要较低功耗的趋势，NSC 开发了自有的VIP10 互补双极工艺技术，这是一种速度快而又以电介质绝缘的互补双极集成电路工艺技术，可以将深沟技术应用到压焊圆片上，以便可以利用电介质实现完全绝缘，确保高速放大器可以充分发挥其性能。NSC 在2001 年推出首系列采用VIP10 工艺技术制造的LMH 系列高速运算放大器。

其中LMH6738 和LMH6739，信号带宽达到750MHz，可驱动目前应用中的最高分辨率视频信号，其应用包括LCD投影机、多媒体设备、视频会议系统和HDTV、xDSL 调制解调器以及机顶盒等高速应用方案。

此外，ADI 公司也利用先进工艺和封装技术积极开辟放大器领域的新天地。该公司产品线经理Curt Ventola 表示，ADI将凭借多年的设计经验以及XFCB(超高速互补双极型)工
艺技术和WLCSP 封装技术开发出适合更多新要求的放大器产品。WLCSP 是一种晶圆级芯片封装技术，可以让芯片面积与封装面积之比超过1:1.14，绝对尺寸仅有32 平方毫米，约为普通BGA 封装的1/3，仅仅相当于TSOP 封装内存芯片面积的1/6。
而Intersil 则采用互补 BiCMOS 工艺技术制造新型系列运放产品。其中包括电流反馈、电压反馈、精度运放、低噪声运放和各种差分线驱动放大器。
设计人员一直在寻求更好的性能，对于电池驱动系统，这通常表现在低功耗方面；而在工业、医疗和感测应用领域，精度和噪声性能又成为关键指标，在某些情况下这就驱使采用更小的几何工艺。
对于蜂窝电话和便携式多媒体应用，要求放大器具有小巧的物理尺寸；兼容低电压；待机状态下具有最低的功耗；抑制电源噪声，尤其对蜂窝电话而言；具有高效率，能提高电池使用寿命。这些特性上的要求需要采用先进的亚微米CMOS 或 BiCMOS 工艺技术(0.5μm to 0.18μm)以及先进的封装技术，例如倒装芯片。
而对于DVD 和其它视频应用，带有非常平直的30MHz 带宽的高速放大器可用于高清数字电视；在视频放大器中集成重构的滤波器，可以滤除来自视频数模转换器的噪声；多输入/输出视频放大器支持不同格式的视频信号，这就需要采用双极或BiCMOS 工艺技术。
目前ST 正以小封装形式提供低成本系列的宽带、负输入轨和输出轨至轨运算放大器。其TSH8x 器件可满足大批量视频应用要求，如RGB 信号驱动和切换，这些应用需要低成本的高性能信号放大和信号调节。
TSH80、TSH81 和TSH82 分别是单运放、有待机模式的单运放和双电压反馈运放器件。
凌特公司则采用CMOS、 BiCMOS、双极和先进的射频工艺技术，开发出各类放大器产品。例如该公司针对高性能视频领域推出的型号为LT6553 的放大器，分辨率超过了1600x1200 像素，适用于SXGA 和UXGALCD 投影仪及监视器、扫描仪，以及车载导航和车内视频系统等汽车显示器系统、数码相机及CCD 影像 系统。对于简单的多路复用和信号路由，LT6553 具有关/闭功能，能够在50ns 内启动，适合扩频和便携式应用。
德州仪器公司(TI)高速信号调节产品部战略市场经理Jim Karki 表示，TI 采用领先的工艺技术可满足高速放大器用户的不同要求。例如，OPA727 就是TI 采用e-trim 技术设计的高精度、高速12V CMOS 运算放大器，该器件属于其Burr-Brown 产品线。e-trim 是TI 的一种新型微调技术，能够在制造的最终阶段对失调电压及温度漂移进行校准。
对DSL 应用而言，快速、高电压处理很关键。目前TI 正以新的工艺技术拓展在该领域的能力以满足未来的需要。TI 已推出高输出电流、高增益带宽的双运算放大器OPA2614。该器件具有低输入电压噪声和低谐波失真等特性，可为差动配置的DSL 驱动器解决方案提供高动态范围。Jim Karki 透露，很快TI 将发布更多的集成模拟视频处理产品。

6.降低噪声与提高集成度是未来运放发展的瓶颈

众所周知，噪声对运放是非常关键的指标。在大多数应用中，运放的前面都会有感测组件，其后端则有ADC与处理器，这些组件共同构成一个典型的信号传输路径。由于运放周边配置的外部组件会带来噪声，如果运放本身的噪声也很大，那么对ADC 而言，噪声将会淹没有效信号，这样以来，不管ADC 的分辨率与频宽有多少，它输出给处理器的就只有噪声，这极大地影响了系统的正常运作。
所以不管是通用型、低电压/低功耗、还是高精度或高速运放，都需要把组件本身的噪声抑制到最低程度，才能有效实现信号路径的整体匹配，达到最佳的应用效果。
此外，为满足日益丰富的应用需求，放大器不再只是单一的产品，而是与其它器件集成在一起以提升性能与产品价值。例如在视频放大器中整合滤波、多路技术以及DC 恢复等功能。
而且，单一的放大器也需要集成更多特性。正如凌特的Erik Soule 指出，对运放而言，多重特性集成是很重要的，因为设计人员经常要针对某种应用修改20 到30 个参数以优化放大器的特性和功能，这增加了设计复杂性。例如，为满足便携式产品低功耗的要求，新的放大器技术需要减小电压和电流噪声，同时还需要进一步降低成本，在更小的封装中集成更多的性能。