新闻中心

EEPW首页 > 电源与新能源 > 设计应用 > 揭示运算放大器未来发展趋势,创新技术带来电子设计新变革

揭示运算放大器未来发展趋势,创新技术带来电子设计新变革

作者:时间:2007-12-27来源:网络收藏
从第一颗IC问世到现在,技术已经在半导体制造工艺和电路设计两方面取得了巨大进展。在大约40年的发展过程中,IC制造商们利用上述先进技术设计出了近乎“完美”的放大器。虽然什么是理想放大器很难有一个精确定义,但它却为模拟设计工程师提供了一个目标。理想放大器应该无噪声、具有无穷大增益、无穷大输入阻抗、零偏置电流以及零失调电压,它还应该不受封装尺寸限制,不占用空间。上述这些,都是许多教科书为了得到简单的传递函数而做出的种种假设。

为什么有如此多的选择?

实际上,选择放大器在今天是一个相当复杂的事情。其部分原因在于,系统设计要求的多样性,以及电路配置的多重性,不同的放大器产品根据应用领域的不同需要在性能上进行折衷。进行放大器设计的工程师在不断推动技术发展,而在可预见的未来,这种趋势还将继续演进。目前,ADI等制造公司,正在将新的工艺技术、新的封装技术,以及新的制造能力进行结合,制造今天许多挑战性应用所需的“完美”型放大器。每一种应用都是一个不同技术指标的组合体,所以其使用的放大器数量也将不断增加才能满足其要求。与原来的相比,今天的产品扩展了带宽、降低了电源电压、减小了功耗电流、节省了PCB面积而且降低了成本。随着对信噪比(SNR)要求的增加,以及实际信号处理在家用电器和工业设备中得到越来越广泛的应用,这种趋势还将继续发展。

今天的制造工艺和电路设计

让我们对需要外部补偿和外部失调调整元件的放大器(比如LM709)做一简单的历史性回顾。这些产品中的大多数,都是采用双极型工艺在两英寸晶圆上制造而成;它们仅提供双列直插(DIP)封装和TO-99金属圆壳封装,并且其主要应用领域是工业仪器仪表;其低功耗特性意味着从±15 V电源中吸取几毫安(mA)电流;制造商给出的技术指标只强调其直流(DC)参数;这些产品合格率低,但是价格很高。

在当今的精密放大器领域,微弱信号设计工程师关注一些重要因素,例如低电源电流、低失调电压、低噪声、低偏置电流等。最新放大器采用创新设计和工艺,能够提供不断超越用户期望的性能。设计工程师使用电路和产品测试技术(例如自稳零、Digitrim数字微调、熔丝熔断和激光微调电阻器等方法),促进优化每一项技术指标,从而设计出几项具体参数接近理想指标的放大器。像AD8628这样的放大器,已经将其失调电压指标优化到几微伏(μV)。

制造商在工艺技术的各个方面都取得了重大进步。这些进步允许放大器设计工程师充分发挥每种工艺的性能和功能。CMOS工艺已经从先进技术(受到数字微处理器推动)的进步中获益,模拟放大器设计工程师们也早利用其获得了低成本下的高性能。过去,超高性能放大器产品都需要利用双极型工艺进行设计;现在,模拟放大器设计工程师能够克服CMOS工艺电压噪声较高的缺点,兼备低噪声和超低偏置电流(可能来自氧化物绝缘栅极)。为达到这一目的,ADI公司已经开发了专有的iCMOS工业CMOS工艺,并于不久前推出了具有最低噪声(4.5 nV/√Hz)的CMOS放大器AD8651,和拥有超低电源电流(每放大器1微安)的AD8500。

但是,目前许多高性能运算放大器仍然使用双极型工艺,因为这种工艺可以提供明显的模拟设计优势,而且几乎不需要进行性能折衷。各种新的工业双极型工艺,例如ADI公司的iPolar沟道隔离工艺技术,通过先进的制造工艺和结型场效应管(JFET)等器件,显著减小了管芯尺寸。这些在制造工艺上的新进展,允许放大器设计工程师开发出具有无与伦比性能参数的产品。其中一个例子是AD8599,它将宽带噪声减小到几乎测不到的程度(1 nV/√Hz)。

在高速放大器领域,超快速制造工艺(ultra-fast processes)允许ADA4899-1等器件具有310 μV/s的转换速率和250 MHz的带宽。

虽然管芯尺寸在不断减小,但与此同时放大器性能却在尽一切可能进行提高,这就使得我们能够能放大器封装尺寸缩小到令人难以置信的程度,缩小到甚至裸眼观察不到的水平。

未来的发展趋势

对于那些需要采用AA电池(5号电池)或镍金属氢化物(NiMH)电池供电的应用而言,尺寸和功耗都是首要关注的问题。现在,放大器的工作电源电压已经降低到1.8 V,并且仍然在减小。当完全需要精密、低电压工作和低功耗时,AD8500(1μA电源电流)是最佳选择。只需单节电池供电,精密放大器就能工作。为了节省功耗,许多放大器产品还需要智能关断电路。

将其它功能与放大器集成在一起也可以降低系统误差。例如,AD8555可为传感器信号调理应用提供许多前所未有的优势,例如增益调整、失调调整和故障检测电路。集成度的进一步增加可以包括线性度校正、频率成形或其它功能,以便开发更多完整的解决方案。

制造工艺和设计趋势将继续为用户提供更低价格、更小封装且提高指标的器件,R-R性能和功耗等现存问题,将继续得到改进,而放大器则会更接近于其“理想”状态。

工艺和封装技术的不断进步,能够在更小的封装内继续提高集成度,从而增加功能并提高性能。放大器还要集成其它功能,当然,这也会是在非常小的封装内。各种封装材料的进步,还有望实现集成度更高的参数所规定的技术指标。

未来提供的放大器产品,也应该更易于设计到系统中。而制造商们,也将把更多的精力集中在放大器的设计工具上。传统的PSPICE模型将被更为精准的模型所取代,后者包括了更多的放大器参数。附加的工具有助于分析放大器的稳定性、DC误差和AC误差。设计工程师使用SPICE模型模拟已选放大器的通用性能,从而可以选择元件、快速配置电路、施加信号并且在网上评估放大器的通用性能。现在用户可以使用在线参数评估工具,快速有效地完成实时仿真,并且检测出各种参数和体系结构中存在的潜在问题。制造商将开发出用于网站的向导工具,为设计工程师的问题提供每天24小时在线的专家指导。

作者: Reza Moghimi

精密信号处理部应用工程经理

Craig Wilson

精密信号处理部技术专家

美国模拟器件公司


关键词: 运算放大器

评论


相关推荐

技术专区

关闭