也许上面这张图片*能反映放大器的工作,放大的同时带来信号的失真和噪声,反馈等技术的应用*终有限度地解决了放大器的必然缺陷,人们对放大器的要求开始转向其他方面。

　　几乎现阶段每个完整的电子产品中都离不开放大器,而放大器性能的提高对电子产品的功能起着重要的决定作用。说不清是放大器的发展决定了电子产品的发展进程还是电子产品的发展需求推动了放大器的发展空间,从电子产品的发展需求和放大器的发展趋势分析中我们或许可以寻找到答案。

　　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*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。信息家电、手机、PDA、网络等新兴应用的兴起,为运算放大器提供了活跃的舞台,同时也对其提出新的技术要求。

　　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。测试和测量、通信、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*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。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。

　　通信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。总体而言,高速运放主要应用在xDSL解调器" href="http://www.dz-z.com/product/detail/12481049.html" target="_blank">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*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。

　　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**机会。

　　精密运算放大器

　　精密放大器*初设计用于测试和测量设备,随着汽车和生产线上的性能监视子系统的需要,具有低输入偏移电压和偏移电流以及低温度系数和噪声特征的精密放大器开始用于传感器监视。汽车OEM对性价比的要求甚于对使用的精度放大器的要求。这意味着芯片制造商不得不寻找出路,以使用仅仅±5V或者甚至±3V达到它们使用±15V才能得到的精度。这促进了许多架构和微调技术方面的**,在一定程度上,也促进了裸片上为了处理滤波或者校准、自动置零和数字微调的有关附加电路的集成。CMOS工艺线宽的不断缩小让芯片上可以增加额外电源。CT、MRI(核磁共振)和超声波机等医疗系统中的通道计数急剧增加让放大器必须跟上ADC的发展。就工艺而言,0.25μm芯片规格似乎是*佳点。

　　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,其他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*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**国防等不同领域。

　　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*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、无线通信、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。

　　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。 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*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,**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。

　　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*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和其他视频应用,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。

　　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。

　　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*低程度,才能有效实现信号路径的整体匹配,达到*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,而是与其他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。

　　功率放大器

　　作为无线通信设备中*具关键的零组件之一,功率放大器(PA)除了关系到各种通信系统的通信品质外,同时也是系统设备中*消耗功率以及体积较大的电路组件。藉由功率放大器的作用,移动电话可将传输信号功率放大,再藉由射频信道将信号发送出去。若将移动电话信号的发射比做人体血液的循环,则PA可比做人体内心脏的角色,射频信道则如同血管;好的PA正如同一颗强而有力的心脏,因此PA的好坏直接影响到信号传输的品质。

　　一般而言,功率放大器的应用领域涵盖蜂窝行动通信系统、卫星通信系统、微波通信系统、雷达、**用途,以及ISM/WLAN等不同产品。其中又以移动通信系统为PA*大的应用领域。目前应用于移动电话中的PA,依其种类可分为分布式晶体管组件、单芯片、以及模块等型式。由于PA是移动电话零组件中耗电量*大的组件,因此在制程技术的采用上,具电子移动率低、高频使用功耗低、且操作频率高等优点的GaAs制程技术变成了移动电话PA主要的制程技术。随着移动电话系统逐渐由2G朝向2.5G与3G前进,操作温度、耗电量、与效率等要求更加严格的情形下,PA厂商亦开始投入InGaP HBT、E-mode PHEMT等新制程技术的研发与生产工作。

　　另一方面,为了能使移动电话射频组件进一步朝向整合,甚至是射频系统单芯片的目标发展,制造成本较GaAs具竞争力,且性能逐步

　　拉近的SiGe制程亦逐渐成为厂商极力发展的重点。因此,随着IDM与硅晶圆代工大厂纷纷投入SiGe制程,未来SiGe将可能成为GaAs半导体厂商在移动电话PA市场*大的竞争对手。

　　值得注意的是,PA在移动电话中的应用*明显的趋势则是PA组件朝向模块化产品的发展。自90年代末期,Conexant Systems与Hitachi相继以多芯片模块(MCMs)的方式制造PA后,PA组件由早期的分散组件模式逐步朝向MMIC,而近一、两年,则更进一步采用多芯片封装技术整合了PA、switch和filter于同一个模块上,因其简便、易于使用的优点,颇能适合须快速推出新产品的移动电话发展潮流。

　　D类放大器

　　传统的D类放大器在通过功率MOSFET进行放大前,需使用一个控 制器将模拟或数字音频转换为脉宽调制(PWM)信号,这个控制器一般集 成在一个功率后端器件当中。这类放大器拥有高效率的优点,可采用 小型(或不使用)散热器,并降低电源输出的功率要求。然而,与传统 的A类和B类放大器相比,这类放大器在成本、性能和电磁干扰(EMI)等 方面的存在着固有的系统问题。今后D类放大器将朝着解决这些问题的 方向发展。

　　降低辐射EMI

　　自从D类放大器诞生以来,放大器轨对轨交换所带来的高强度辐 射EMI问题就一直困扰着系统设计人员。这将导致设备无法获得所需 的FCC和CISPR认证。在D类调制器内,通过将音频波形和一个高频 恒定波形进行比较,并在固定载波频率的基础上对比较结果进行调制, 使数字音频信号转换为PWM信号。产生的信号有多种脉宽,但只有一 个固定载波频率(通常是几百千赫)。然后由一组高压功率MOSFET对 这个PWM信号进行放大。在通过低通滤波器时,放大后的PWM信号的载 波频率被消除并代之以原基带音频信号。

　　扩频调制机制常应用在带宽较宽的PMW信号交换中,它能够扩频 能量。传统的PWM调制器通过改变PWM信号交换边界来校正过高的EMI。 虽然信号集中于载波频率,但每条边界却是周期到周期重复的。尽 管这种机制有益于维持常恒定的载波频率,但由于边界并不总以恒定 的速率交换,因此载波频率的辐射能量(和相关结果)都被大大降低了。

　　改善音质

　　当人们将D类放大器和A、B类放大器对比时,通常认为D类放大器 的音质较差(高失真率和低动态范围)。殊不知D类放大器的设计人员 目前也正在为改善音频质量而努力。新的解决方案中集成了高性能取 样率转换器(SRC)和Δ-Σ处理,能够降低失真率(THD+N)并 将动态范围提高100多个dB。

　　音频取样时钟内的抖动是目前D类放大器的噪声源之一。这类时 钟通常是由SOC(如MPEG***、DSP等)产生的。由于调制器的输出是 通过音频时钟计时的,因此哪怕只有少量抖动也会极大地影响音质, SRC正是针对这个问题的解决方案。SRC运用本地稳定时钟源(如石英 振荡器)对数字音频重计时,因此调制器输出实际上独立于任意一个 音频时钟上的抖动。SRC的另一个好处在于,无论输入音频取样率如 何,它都拥有固定的交换率,这一点区别于那些采用PLL的调制器。 通过消除音频源改变和输入时钟丢失对音响造成的负面影响,SRC还 改善了系统的耐用性。

　　降低系统成本

　　消费电子产品设计人员在功率级正在采用半桥放大器拓扑结构, 简化了器件结构,降低了材料成本,从而解决了D类放大器成本偏高 的问题。从名称上就能看出,半桥的输出仅为普通全桥输出的一半, 功率MOSFET和外接滤波器件的数目也减少了1/2。器件数目的减少 不仅有利于降低成本,而且有利于节省器件的占板空间,简化设计的 复杂性,减少每个功率后端器件的通道数目。但半桥放大器输出时需 要一个隔直流电容器,而且极容易受到交流电源轨的影响而产生噪声。

　　电源抑制反馈

　　由于半桥是一个单端点拓扑结构,因此它没有各种全桥拓扑结构 中常规的模式抑制。在全桥放大器中,放大器的各类输出都通过同一 个电源供电,共用电源噪声将影响所有输出效果。在半桥中,任何源 于电源的交流电波噪声都会耦合到输出中。半桥对电源噪声的敏感性 决定了采用电源抑制反馈(PRS)的必要性。

　　虽然模拟D类放大器内置了若干PRS,但数字D类放大器却没有。 目前,数字PSR应用外接模/数转换器(ADC)来监测放大器电源。调 制器数字部分负责反馈和噪声消除处理。有些厂商只将这种反馈用于 补偿PWM输出的电源轨的交流电噪声,降低了系统的整体性能。而另 一些厂商还将它作为对直流电源级改变(衰减)的补偿手段,这种变化 通常是使用低频率音频(超重低音喇叭)或

　　电力线波动所造成的快速电 流浪涌引起的。

　　经过了以上技术进步,D类放大器的性能表现也可与传统的直线 放大器旗鼓相当。数字信号处理已克服了声音处理中历史性的模拟难 题。有了性能更好的数字放大器解决方案,工程师们将能够更便捷地 将其集成到日益成为主流的数字系统当中。

　　综合起来,发展趋势可概括如下：

　　1. 需要精密运算放大器的应用正在增长,特别是在汽车市场中。

　　2. 与此同时,失调、噪声和温度系数正在进一步改善之中。

　　3. 与以前的放大器相比,*新的放大器对于布局的要求更低。

　　4. PCB板上可以仅有一个电源电压轨吗?这是可以的。因为现在的放大器芯片本身可以产生它所需要的电压。

　　5. 汽车制造商仍在犹豫采用D类音频功率放大器,但是它们离实际采用的日子已经越快越近了。(它们已在备件产品中采用,但别抱怨AM干扰!)