放大器的發(fā)展與展望-文獻(xiàn)綜述

1、畢業(yè)設(shè)計（論文）文 獻(xiàn) 綜 述（包括國內(nèi)外現(xiàn)狀、研究方向、進展情況、存在問題、參考依據(jù)等）浙江大學(xué)城市學(xué)院畢業(yè)論文文獻(xiàn)綜述放大器的發(fā)展和展望1. 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在90年代初期國內(nèi)生產(chǎn)的運算放大器，基本上是741為代表的雙極型運放，而Bi-JPET、Bi-MOS、Bi-CMO及LinCMOS型運放基本處于試制階段。性能也較差，多數(shù)品種沒有生產(chǎn)出批量性的產(chǎn)品投放市場，有的甚至還沒有開展工作。就連國內(nèi)生產(chǎn)的部分雙極型運放-也未完全解決溫漂，時漂和可靠性等方面的問題。部分低功耗寬帶運放也來完解決振蕩問題。造成依靠國外進口或買國外的芯片進行封裝的局面，甚至741也大量進口。致使國內(nèi)生產(chǎn)的部分運放停在國外

2、六十年代末或七十年代初的術(shù)平。究其原因，有設(shè)計、工藝上的問題也有封裝上的問題19。但是隨著改革開放的推進近年來國內(nèi)也有進行先進放大器技術(shù)的研究，如中科院就曾研發(fā)了一款0.18微米CMOS工藝的超寬帶低噪聲放大器，這是國內(nèi)首個采用018微米工藝的UWB放大器，在全球也是領(lǐng)先的?，F(xiàn)在國外放大器的研究現(xiàn)狀是使用更高的工藝制造出可靠性更強成本更低的產(chǎn)品；讓放大器朝著更高的帶寬，更低的功耗的方向發(fā)展，例如富士通采用45nm工藝開發(fā)出適用于功率放大器的CMOS邏輯高壓晶體管20。由于現(xiàn)代社會是一個信息化的社會，所以在無線通信領(lǐng)域的應(yīng)用中，國內(nèi)外都進行了大量的研究。近年來，隨著全球電信自由化潮流及技術(shù)日益成

3、熟，無線通信產(chǎn)業(yè)趨于活躍而使產(chǎn)品類別更多元化，其應(yīng)用層面包括家用無線電話，無線局域網(wǎng)，個人無線電話，及熱門的藍(lán)牙等。整個無線通信系統(tǒng)中射頻功率放大器是十分關(guān)鍵的組建。他的輸出功率決定了通信的距離，使用效率決定了電池的消耗。因此功率放大器將是業(yè)界研發(fā)的重點21。運算放大器歷經(jīng)數(shù)十年的發(fā)展,從早期的真空管演變?yōu)楝F(xiàn)在的集成電路,根據(jù)不同的應(yīng)用需求主要分化出通用型、低電壓/低功耗型、高速型、高精度型四大類運放產(chǎn)品。一般而言,高速運放主要用于通信設(shè)備、視頻系統(tǒng)以及測試與測量儀表等產(chǎn)品;低電壓/低功耗運放主要面向手機、PDA等以電池供電的便攜式電子產(chǎn)品;高精度運放主要針對測試測量儀表、汽車電子以及工業(yè)控制

4、系統(tǒng)等。通用運算放大器應(yīng)用最廣,幾乎任何需要添加簡單信號增益或信號調(diào)理功能的電子系統(tǒng)都可采用通用運放。信息家電、手機、PDA、網(wǎng)絡(luò)等新興應(yīng)用的興起,為運算放大器提供了活躍的舞臺,同時也對其提出新的技術(shù)要求22。通信和視頻應(yīng)用使高速運放成為焦點：高速運放泛指頻寬高于50MHz的運放,而現(xiàn)在為了與信號鏈后端組件(例如高速ADC或處理器)的需求相匹配,運放的頻寬記錄已突破GHz。這主要源于后端組件的效能近年來顯著提升,因而位居信號鏈前端的運放為了與后端組件相匹配,以避免拖累信號鏈的整體效能表現(xiàn),于是開始向高速化發(fā)展,未來高速運放可能躍升為主流運放產(chǎn)品?？傮w而言,高速運放主要應(yīng)用在xDSL調(diào)制解調(diào)器、

5、機頂盒以及視頻系統(tǒng)中,或是擔(dān)任高速ADC的前級信號調(diào)整角色。這類運放對于信噪比和失真度的要求最為嚴(yán)格,因此半導(dǎo)體廠商在設(shè)計這種運放時,普遍采用差動輸出的形式。通用運放在傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域仍有發(fā)展空間：雖然隨著應(yīng)用需求不斷變更,運放供貨商必須順應(yīng)市場變化推出相應(yīng)的新產(chǎn)品。然而因為運放在業(yè)界已被廣泛采用數(shù)十年之久,有些應(yīng)用產(chǎn)品的生命周期也長達(dá)十多年,因此很多傳統(tǒng)產(chǎn)品仍有其一定的市場需求,例如在汽車與工業(yè)自動化領(lǐng)域,就有很多設(shè)備還是需要用到傳統(tǒng)的通用運放。通用運放對工程師而言,可以說是最常用的半導(dǎo)體組件之一。通過外部電阻的不同配置,一顆運放可以對輸入信號進行各種微調(diào)后再輸出,以符合信號鏈后端的ADC、電源

6、管理芯片等組件的輸入信號要求。正因為其簡單易用的特性,再加上極為經(jīng)濟實惠的價格,因而使得這類放大器始終在出貨量上穩(wěn)居運放市場的主流地位。然而,為順應(yīng)PCB板尺寸不斷縮水,以及制造工藝發(fā)展所造成的輸入電壓下降的趨勢,通用型運放也必須革新應(yīng)變。例如凌特推出的LT1990/1/2/5/6放大器,就集成了精度匹配電阻,不同型號按照高精度、高速度或高電壓應(yīng)用進行優(yōu)化,可用作反相 、非反相或差分放大器連接。綜上所述,未來高速運放有望取代通用運放成為主流產(chǎn)品,但從整體看,各類運放的市場規(guī)模都將呈現(xiàn)增長態(tài)勢。便攜式音頻/視頻播放器、無線通信、醫(yī)療成像、工業(yè)和儀器儀表等應(yīng)用領(lǐng)域都將為下一代運放創(chuàng)造新的機會23。

7、 制造工藝與封裝技術(shù)進步提升運放性能：新應(yīng)用對運放提出諸如高速、低功耗、高集成度等新的技術(shù)要求。為此,設(shè)計人員不斷探索新的設(shè)計方法,但只從設(shè)計著手不足以實現(xiàn)具有競爭力的產(chǎn)品,只有配合適當(dāng)?shù)闹圃旃に嚭头庋b技術(shù)才能將不斷優(yōu)化產(chǎn)品性能,適應(yīng)新的應(yīng)用需求。 目前運放產(chǎn)品主要采用CMOS、雙極、BiCMOS等工藝制造。許多運算放大器系列都提供單通道、雙通道和四通道三種封裝形式,從而為設(shè)計提供了最大的靈活性。各種新型封裝的電路板占位面積正在日益縮小。單通道運算放大器可采用SOT23封裝以及結(jié)構(gòu)相似但外形更加小巧的SC70封裝,雙通道器件有SOT23-8封裝,采用WCSP芯片級封裝的運算放大器的占位面積更小

8、。此外,領(lǐng)先半導(dǎo)體廠商還在不斷研發(fā)新的工藝和封裝技術(shù)以進一步提升運放產(chǎn)品的性能。設(shè)計人員一直在尋求更好的性能,對于電池驅(qū)動系統(tǒng),這通常表現(xiàn)在低功耗方面;而在工業(yè)、醫(yī)療和感測應(yīng)用領(lǐng)域,精度和噪聲性能又成為關(guān)鍵指標(biāo),在某些情況下這就驅(qū)使采用更小的幾何工藝。 對于蜂窩電話和便攜式多媒體應(yīng)用,要求放大器具有小巧的物理尺寸;兼容低電壓;待機狀態(tài)下具有最低的功耗;抑制電源噪聲,尤其對蜂窩電話而言;具有高效率,能提高電池使用壽命。這些特性上的要求需要采用先進的亞微米CMOS 或 BiCMOS工藝技術(shù)(0.5m to 0.18m)以及先進的封裝技術(shù),例如倒裝芯片。 由此可見，由于移動通信、數(shù)字電視、光纖傳輸?shù)?/p>

9、通信科技的飛速發(fā)展與技術(shù)的更新?lián)Q代使得放大器在當(dāng)今的科技領(lǐng)域中扮演的角色越來越重要，同時放大器本身的工藝水平的提高，成本與功耗的下降也推動著通信技術(shù)乃至人類的整體的科技水平不斷地邁上新的臺階。2研究方向從第一顆運算放大器IC問世到現(xiàn)在，運算放大器技術(shù)已經(jīng)在半導(dǎo)體制造工藝和電路設(shè)計兩方面取得了巨大進展。在大約40年的發(fā)展過程中，IC制造商們利用上述先進技術(shù)設(shè)計出了近乎“完美”的放大器。雖然什么是理想放大器很難有一個精確定義，但它卻為模擬設(shè)計工程師提供了一個目標(biāo)。理想放大器應(yīng)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(diào)電壓，它還應(yīng)該不受封裝尺寸限制，不占用空間。上述這些，都是許多

10、教科書為了得到簡單的傳遞函數(shù)而做出的種種假設(shè)。未來放大器市場增長的驅(qū)動力主要有三方面：其一,便攜式應(yīng)用的低功耗要求將推動具有低操作電源電壓/電流的放大器增長;其二,高分辨率應(yīng)用需要能降低噪聲和失真度的放大器;其三,由于性能和價格壓力持續(xù)上揚,因此能夠集成其他功能的放大器前景樂觀。測試和測量、通信、醫(yī)療影像等領(lǐng)域的先進應(yīng)用是提升放大器性能的主要驅(qū)動力;DSL和消費類視頻應(yīng)用是最大的市場,而且未來將繼續(xù)此趨勢。其中,DSL運放的增長點主要在于線路驅(qū)動器。而整合了濾波、多路技術(shù)以及DC恢復(fù)等功能的消費類視頻放大器也被看好。從應(yīng)用的角度講,不同的系統(tǒng)對運放有不同要求,選擇合適的運放對于系統(tǒng)設(shè)計至關(guān)重要

11、。對于通信、高速測量儀表及超聲波設(shè)備等高速應(yīng)用,交流特性極為重要。但對于低速的高精度系統(tǒng),直流方面的特性則通常更為重要。衡量系統(tǒng)在交流特性方面的參數(shù)有信號帶寬、失真率、噪聲等;而衡量系統(tǒng)在直流特性方面的參數(shù)有輸入補償電壓、開環(huán)增益、輸入偏置電流及共模抑制比等。便攜式應(yīng)用催生低電壓/低功耗運算放大器：隨著手機、PMP等依賴電池供電的便攜式產(chǎn)品出現(xiàn),強調(diào)低功耗、低電壓的運放應(yīng)運而生。一般定義下的低電壓運放,指工作電壓低于2.5伏特,而所謂的低功耗運放,通常指供電電流低于1mA。這類運放大多用在音頻系統(tǒng)或是電壓比較電路、濾波器等不需要太高頻寬的應(yīng)用。此外,在測試、測量和醫(yī)療系統(tǒng),工程師也希望在低功耗

12、水平下獲得改進的性能(例如,更高的帶寬、更快的轉(zhuǎn)換率和更低的失真度),所以在這些領(lǐng)域低功耗運放也有創(chuàng)新機會。 精密運算放大器：精密放大器最初設(shè)計用于測試和測量設(shè)備,隨著汽車和生產(chǎn)線上的性能監(jiān)視子系統(tǒng)的需要,具有低輸入偏移電壓和偏移電流以及低溫度系數(shù)和噪聲特征的精密放大器開始用于傳感器監(jiān)視。汽車OEM對性價比的要求甚于對使用的精度放大器的要求。這意味著芯片制造商不得不尋找出路,以使用僅僅5V或者甚至3V達(dá)到它們使用15V才能得到的精度。這促進了許多架構(gòu)和微調(diào)技術(shù)方面的創(chuàng)新,在一定程度上,也促進了裸片上為了處理濾波或者校準(zhǔn)、自動置零和數(shù)字微調(diào)的有關(guān)附加電路的集成。CMOS工藝線寬的不斷縮小讓芯片上

13、可以增加額外電源。CT、MRI(核磁共振)和超聲波機等醫(yī)療系統(tǒng)中的通道計數(shù)急劇增加讓放大器必須跟上ADC的發(fā)展。就工藝而言,0.25m芯片規(guī)格似乎是最佳點。高精度運放一般指失調(diào)電壓低于1mv的運放。與低電壓/低功耗運放不同,這類產(chǎn)品由于對信號精準(zhǔn)度的要求極高,如果將這類運放整合到后端芯片中形成SoC,其他電路的噪聲將嚴(yán)重干擾此類運放的正常運作,因此就現(xiàn)階段的技術(shù)來看,這類運放將是最不容易被整合的組件24。高精度運放可用于工業(yè)自動化、醫(yī)療器材、量測儀器、汽車電子、甚至軍事國防等不同領(lǐng)域。3進展情況隨著科學(xué)技術(shù)的進步，放大器在制作工藝上有著顯著的突破。因為使用新的工藝可以制造出可靠性更強成本更低的

14、產(chǎn)品，富士通實驗室和富士通株式會社聯(lián)合開發(fā)出一款具有高擊穿電壓并基于邏輯制程的CMOS高壓晶體管，該晶體管適用于無線設(shè)備的功率放大器。作為先進科技的先驅(qū)，富士通開發(fā)完成了世界上第一代基于45納米工藝的CMOS晶體管，能夠處理10 V功率輸出，這使得晶體管能夠處理用于WiMAX和其它高頻應(yīng)用的功率放大器的高輸出要求。這一新技術(shù)能夠?qū)⒐δ芊糯笃骱虲MOS邏輯控制電路在同一塊芯片上集成，可實現(xiàn)單芯片的工作模式，從而使生產(chǎn)出高性能和低功耗的功能放大器成為可行。富士通通過使用45nm工藝技術(shù)把新型晶體管技術(shù)應(yīng)用到3.3 V I/O的標(biāo)準(zhǔn)晶體管上，從而開發(fā)出了世界上首個能把擊穿電壓從6 V 提高到 10

15、V的晶體管。新型晶體管在基本的可靠性測試上也取得了良好的測試結(jié)果。富士通新型開發(fā)的高壓晶體管為帶高擊穿電壓的CMOS邏輯晶體管在功率放大器中的使用鋪平了道路。利用制造技術(shù)和制作工藝的進一步發(fā)展，各國科學(xué)工作者將持續(xù)在單一芯片上集放大器和控制電路方面做出努力，以實現(xiàn)成本更低和性能更高的放大器模塊。4存在問題降低噪聲與提高集成度是未來運放發(fā)展的瓶頸。眾所周知,噪聲對運放是非常關(guān)鍵的指標(biāo)。降低噪聲與提高集成度是未來運放發(fā)展的瓶頸：眾所周知,噪聲對運放是非常關(guān)鍵的指標(biāo)25。處理小信號,必須特別注意線路產(chǎn)生的噪聲。這些噪聲可能源自歐姆律電阻、電子管和晶體管等。在大多數(shù)應(yīng)用中,運放的前面都會有感測組件,其后端則有ADC與處理器,這些組件共同構(gòu)成一個典型的信號傳輸路徑。由于運放周邊配置的外部組件會帶來噪聲,如果運放本身的噪聲也很大,那么對ADC而言,噪聲將會淹沒有效信號,這樣以來,不管ADC的分辨率與頻寬有多少,它輸出給處理器的就只有噪聲,這極大地影響了系統(tǒng)的