作為電路設(shè)計中最基本的器件，運算放大器可以構(gòu)造信號放大、信號傳輸、信號濾波等各種功能的電路，廣泛應(yīng)用于通信、PC、消費、汽車和工業(yè)等領(lǐng)域中。和日新月異的消費應(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)運算放大器技術(shù)和市場平穩(wěn)得沉悶。不過，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、單電源等消費應(yīng)用技術(shù)趨勢進入工業(yè)領(lǐng)域。即使在最為傳統(tǒng)的±15V工業(yè)市場，TI、ADI、國半和凌力爾特等領(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。

      市場調(diào)研公司Databeans的數(shù)據(jù)顯示，2006年全球放大器市場增長15%，達24億美元，預(yù)計未來幾年將保持8%的年復(fù)合增長率，到2011年達35億美元，出貨量達160億個。消費類應(yīng)用是主要推動力。TI負責(zé)高精度信號調(diào)節(jié)的全球市場營銷經(jīng)理Joseph Stoupa表示：“便攜式音視頻設(shè)備市場方興未艾，不斷推動新產(chǎn)品開發(fā)，包括數(shù)碼相機、拍照手機、便攜視頻以及PMP等?！?

      和消費應(yīng)用相比，工業(yè)應(yīng)用中熱點不太突出而顯得比較分散，但工業(yè)放大器市場也在全球各地區(qū)保持穩(wěn)步增長態(tài)勢。TI的Stoupa表示，2006年工業(yè)放大器市場表現(xiàn)強于2005年，傳統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用(如ATE、測試測量、過程控制及馬達控制等)以及新興市場的共同發(fā)展為該市場的快速成長注入了強勁的推動力。Databeans的數(shù)據(jù)顯示，今后5年間工業(yè)市場需求將保持8%到10%的年復(fù)合增長率。

      美國國家半導(dǎo)體亞太區(qū)高速放大器及顯示器產(chǎn)品市場經(jīng)理龔銘潭表示：“許多不同的工業(yè)應(yīng)用均對放大器有很大的需求，適用于測試及測量設(shè)備、汽車電子系統(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Α！绷枇柼毓?Linear)信號調(diào)節(jié)產(chǎn)品營銷經(jīng)理Brian Black也認為，增長將來自多種應(yīng)用而不是一兩個特定市場的推動。汽車中電子產(chǎn)品的增多、手持式儀表和便攜式醫(yī)療電子對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趨勢的主要原因。

新一代工藝推動高壓工業(yè)放大器開發(fā)

      和消費類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，究其原因，一是工業(yè)應(yīng)用生命周期長，對性能、穩(wěn)定和可靠性要求高，客戶考慮很嚴謹，不會輕易更換放大器；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有變化。官世明表示：“與數(shù)字芯片更注重設(shè)計不同，生產(chǎn)工藝和設(shè)計一樣，是模擬廠商核心競爭力的一部分，不同廠商都有自己的獨特工藝?！?

      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工藝是絕對的主流，因為它功耗和成本低，可以利用代工廠，適合消費類應(yīng)用；而互補雙極性工藝(BiCMOS)運放的特點是高電壓、高速和高精度，常常用于±15V工業(yè)市場。圣邦微電子總裁張世龍介紹說：“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有CMOS工藝好。CMOS工藝制造的運放省電，功耗低，軌至軌輸入和輸出特性好，輸入阻抗高，但CMOS工藝運放帶寬常常沒有雙極性寬。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放設(shè)計?！?

      由于Bipolar/BiCMOS是一種平面工藝，缺點是放大器功耗和體積很大，難以滿足系統(tǒng)需求。經(jīng)過多年的努力后，近兩年來，TI、ADI和國半等領(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30V電源電壓，同時能提供突破的性能水平，降低系統(tǒng)設(shè)計成本，而且降低85%的功耗和減小30%的封裝尺寸。而國半也在2005年下半年專門為供電電壓介于0.9V至12V之間的運放開發(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。國半的龔銘潭表示：“因為擁有VIP50工藝，我們可為市場提供最先進的低電壓及高精度放大器。這種專有工藝也極適用于生產(chǎn)低噪聲及高速放大器?！?

      在2006年末，TI也發(fā)布了基于其新型36V互補雙極硅鍺工藝(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36V放大器相比，兩款放大器實現(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，適用于測試測量、儀表、影像、醫(yī)療、音頻與過程控制等應(yīng)用。Stoupa表示：“引入絕緣硅技術(shù)縮小了晶體管尺寸。通過盡可能縮小NPN晶體管，TI晶體管尺寸僅為采用最先進工藝的同類產(chǎn)品的1/11?！?

      OPA211是一款雙極輸入運放，僅需3.6mA電源電流即可實現(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封裝面積僅為標準8引腳SO封裝的1/3，沒有同類產(chǎn)品可達到。官世明強調(diào)說：“OPA211速度達80MHz，而靜態(tài)電流只有3.6mA，為業(yè)界最低。軌至軌輸出，沒有其它高壓產(chǎn)品可以做到，為業(yè)界獨創(chuàng)?！?

      官世明指出：“工業(yè)PCB板比較大，對面積節(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。所以總體來說，減少面積還是很意義?！彼€表示，從長遠來看，BiCom3HV這類高壓工藝可以借鑒CMOS工藝的一些做法，實現(xiàn)高壓和CMOS工藝更完美結(jié)合，朝向“理想放大器”發(fā)展，但近期實現(xiàn)起來比較難。

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)市場繼續(xù)穩(wěn)定增長外，在手持儀表和便攜醫(yī)療設(shè)備等新興工業(yè)應(yīng)用的推動下，工業(yè)運放的另一個發(fā)展趨勢是低電壓、單電源，而這種趨勢在消費類應(yīng)用中已十分常見。在低壓單電源應(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，僅為最接近競爭對手的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、單輸入級架構(gòu)，以超低失真(0.0006%THD+N)實現(xiàn)了無干擾的軌至軌性能。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)療以及測試測量系統(tǒng)等。而這兩款器件優(yōu)異的性能，來自于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)計經(jīng)驗實現(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TI推出眾多令人激動的新產(chǎn)品鋪平了道路。1.8V OPA333與2.2V OPA365專為工業(yè)大眾市場而設(shè)計，能夠以低電壓實現(xiàn)超高性能。”

      針對便攜工業(yè)應(yīng)用，凌力爾特公司有3個超低功率運放系列，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個系列的器件占板面積微小，可實現(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算放大器。LT6003采用2mm×2mm DFN封裝，其占板面積是這個系列中最小的，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，同時僅消耗16uA電流，并實現(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：“很多軌至軌運放都面臨一個難題，輸出接近兩個軌時，電源電流可能上升高達3倍，而這種情況會在啟動時發(fā)生。如果設(shè)計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電源所能提供的電流，從而妨礙成功的上電時序。LT6000和LT6003系列采用了特殊的設(shè)計技術(shù)，以在實現(xiàn)真正微功率工作的整個工作范圍內(nèi)良好地運作?！?

為不同的工業(yè)應(yīng)用選擇合適的運放

      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準。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。而國半的龔銘潭則指出：“一般來說，測試與測量設(shè)備以及成像系統(tǒng)對噪聲及失真率都有較為嚴格的要求。部分制成品甚至肩負維系生命的重任，因此這類產(chǎn)品所采用的信號路徑芯片必須符合最嚴格的要求?！?

      而圣邦微電子的張世龍則列出了通常選擇運放的12個步驟和參數(shù)：1.運放供電電壓大小和方式選擇；2.運放封裝選擇；3.運放反饋方式，即是VFA(電壓反饋運放)還是CFA(電流反饋運放)；4.運放帶寬；5.壓擺率大小，這決定全功率信號帶寬；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??；8.運放輸入阻抗選擇；9.運放輸出驅(qū)動能力大小選擇；10.運放靜態(tài)功耗，即ICC電流大小選擇；11.運放噪聲選擇；12.運放驅(qū)動負載穩(wěn)定時間。作為中國新興的高性能模擬廠商，圣邦微電子在過去的兩年時間里推出了11個系列的運放，但目前主要針對便攜式和電池驅(qū)動設(shè)備等消費市場，這些運放的供電電壓為2.1V~5.5V。