運算放大器發展趨勢分析

　　從第一顆運算放大器IC問世到現在，運算放大器技術已經在半導體製造工藝和電路設計兩方面取得了巨大進展。在大約40年的發展過程中，IC製造商們利用上述先進技術設計出了近乎「完美」的放大器。雖然什麼是理想放大器很難有一個精確定義，但它卻為模擬設計工程師提供了一個目標。理想放大器應該無噪聲、具有無窮大增益、無窮大輸入阻抗、零偏置電流以及零失調電壓，它還應該不受封裝尺寸限制，不占用空間。上述這些，都是許多教科書為了得到簡單的傳遞函數而做出的種種假設。

　　為什麼有如此多的選擇？

　　實際上，選擇放大器在今天是一個相當複雜的事情。其部分原因在於，系統設計要求的多樣性，以及電路配置的多重性，不同的放大器產品根據應用領域的不同需要在性能上進行折衷。進行放大器設計的工程師在不斷推動技術發展，而在可預見的未來，這種趨勢還將繼續演進。目前，ADI等製造公司，正在將新的工藝技術、新的封裝技術，以及新的製造能力進行結合，製造今天許多挑戰性應用所需的「完美」型放大器。每一種應用都是一個不同技術指標的組合體，所以其使用的放大器數量也將不斷增加才能滿足其要求。與原來的運算放大器相比，今天的產品擴展了帶寬、降低了電源電壓、減小了功耗電流、節省了PCB面積而且降低了成本。隨著對信噪比（SNR）要求的增加，以及實際信號處理在家用電器和工業設備中得到越來越廣泛的應用，這種趨勢還將繼續發展。

　　今天的製造工藝和電路設計

　　讓我們對需要外部補償和外部失調調整元件的放大器（比如LM709）做一簡單的歷史性回顧。這些產品中的大多數，都是採用雙極型工藝在兩英寸晶圓上製造而成；它們僅提供雙列直插（DIP）封裝和TO-99金屬圓殼封裝，並且其主要應用領域是工業儀器儀表；其低功耗特性意味著從±15 V電源中吸取幾毫安（mA）電流；製造商給出的技術指標只強調其直流（DC）參數；這些產品合格率低，但是價格很高。

　　在當今的精密放大器領域，微弱信號設計工程師關注一些重要因素，例如低電源電流、低失調電壓、低噪聲、低偏置電流等。最新放大器採用創新設計和工藝，能夠提供不斷超越用戶期望的性能。設計工程師使用電路和產品測試技術（例如自穩零、Digitrim數字微調、熔絲熔斷和雷射微調電阻器等方法），促進優化每一項技術指標，從而設計出幾項具體參數接近理想指標的放大器。像AD8628這樣的放大器，已經將其失調電壓指標優化到幾微伏（μV）。

　　製造商在工藝技術的各個方面都取得了重大進步。這些進步允許放大器設計工程師充分發揮每種工藝的性能和功能。CMOS工藝已經從先進技術（受到數字微處理器推動）的進步中獲益，模擬放大器設計工程師們也早利用其獲得了低成本下的高性能。過去，超高性能放大器產品都需要利用雙極型工藝進行設計；現在，模擬放大器設計工程師能夠克服CMOS工藝電壓噪聲較高的缺點，兼備低噪聲和超低偏置電流（可能來自氧化物絕緣柵極）。為達到這一目的，ADI公司已經開發了專有的iCMOS工業CMOS工藝，並於不久前推出了具有最低噪聲（4.5 nV/√Hz）的CMOS放大器AD8651，和擁有超低電源電流（每放大器1微安）的AD8500。

　　但是，目前許多高性能運算放大器仍然使用雙極型工藝，因為這種工藝可以提供明顯的模擬設計優勢，而且幾乎不需要進行性能折衷。各種新的工業雙極型工藝，例如ADI公司的iPolar溝道隔離工藝技術，通過先進的製造工藝和結型場效應管（JFET）等器件，顯著減小了管芯尺寸。這些在製造工藝上的新進展，允許放大器設計工程師開發出具有無與倫比性能參數的產品。其中一個例子是AD8599，它將寬帶噪聲減小到幾乎測不到的程度（1 nV/√Hz）。

　　雖然管芯尺寸在不斷減小，但與此同時放大器性能卻在盡一切可能進行提高，這就使得我們能夠能放大器封裝尺寸縮小到令人難以置信的程度，縮小到甚至裸眼觀察不到的水平。

　　未來的發展趨勢

　　對於那些需要採用AA電池（5號電池）或鎳金屬氫化物（NiMH）電池供電的應用而言，尺寸和功耗都是首要關注的問題。現在，放大器的工作電源電壓已經降低到1.8 V，並且仍然在減小。當完全需要精密、低電壓工作和低功耗時，AD8500（1μA電源電流）是最佳選擇。只需單節電池供電，精密放大器就能工作。為了節省功耗，許多放大器產品還需要智能關斷電路。

　　將其它功能與放大器集成在一起也可以降低系統誤差。例如，AD8555可為傳感器信號調理應用提供許多前所未有的優勢，例如增益調整、失調調整和故障檢測電路。集成度的進一步增加可以包括線性度校正、頻率成形或其它功能，以便開發更多完整的解決方案。

　　製造工藝和設計趨勢將繼續為用戶提供更低價格、更小封裝且提高指標的器件，R-R性能和功耗等現存問題，將繼續得到改進，而放大器則會更接近於其「理想」狀態。

　　工藝和封裝技術的不斷進步，能夠在更小的封裝內繼續提高集成度，從而增加功能並提高性能。放大器還要集成其它功能，當然，這也會是在非常小的封裝內。各種封裝材料的進步，還有望實現集成度更高的參數所規定的技術指標。

　　據中國報告大廳發布的《2012-2016年中國運算放大器行業當前現狀及未來趨勢發展預測報告》顯示，未來提供的放大器產品，也應該更易於設計到系統中。而製造商們，也將把更多的精力集中在放大器的設計工具上。傳統的PSPICE模型將被更為精準的模型所取代，後者包括了更多的放大器參數。附加的工具有助於分析放大器的穩定性、DC誤差和AC誤差。設計工程師使用SPICE模型模擬已選放大器的通用性能，從而可以選擇元件、快速配置電路、施加信號並且在網上評估放大器的通用性能。現在用戶可以使用在線參數評估工具，快速有效地完成實時仿真，並且檢測出各種參數和體系結構中存在的潛在問題。製造商將開發出用於網站的嚮導工具，為設計工程師的問題提供每天24小時在線的專家指導。