放大器的發(fā)展與展望-文獻綜述

1、畢業(yè)設計（論文）文 獻 綜 述（包括國內外現(xiàn)狀、研究方向、進展情況、存在問題、參考依據(jù)等）浙江大學城市學院畢業(yè)論文文獻綜述放大器的發(fā)展和展望1. 國內外研究現(xiàn)狀在90年代初期國內生產的運算放大器，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)品種沒有生產出批量性的產品投放市場，有的甚至還沒有開展工作。就連國內生產的部分雙極型運放-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。致使國內生產的部分運放停在國外

2、六十年代末或七十年代初的術平。究其原因，有設計、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也有進行先進放大器技術的研究，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，這是國內首個采用018微米工藝的UWB放大器，在全球也是領先的。現(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，所以在無線通信領域的應用中，國內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日益成

3、熟，無線通信產業(yè)趨于活躍而使產品類別更多元化，其應用層面包括家用無線電話，無線局域網(wǎng)，個人無線電話，及熱門的藍牙等。整個無線通信系統(tǒng)中射頻功率放大器是十分關鍵的組建。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品。一般而言,高速運放主要用于通信設備、視頻系統(tǒng)以及測試與測量儀表等產品;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。通用運算放大器應用最廣,幾乎任何需要添加簡單信號增益或信號調理功能的電子系統(tǒng)都可采用通用運放。信息家電、手機、PDA、網(wǎng)絡等新興應用的興起,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要求22。通信和視頻應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品?？傮w而言,高速運放主要應用在xDSL調制解調器、

5、機頂盒以及視頻系統(tǒng)中,或是擔任高速ADC的前級信號調整角色。這類運放對于信噪比和失真度的要求最為嚴格,因此半導體廠商在設計這種運放時,普遍采用差動輸出的形式。通用運放在傳統(tǒng)應用領域仍有發(fā)展空間：雖然隨著應用需求不斷變更,運放供貨商必須順應市場變化推出相應的新產品。然而因為運放在業(yè)界已被廣泛采用數(shù)十年之久,有些應用產品的生命周期也長達十多年,因此很多傳統(tǒng)產品仍有其一定的市場需求,例如在汽車與工業(yè)自動化領域,就有很多設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)和儀器儀表等應用領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進步提升運放性能：新應用對運放提出諸如高速、低功耗、高集成度等新的技術要求。為此,設計人員不斷探索新的設計方法,但只從設計著手不足以實現(xiàn)具有競爭力的產品,只有配合適當?shù)闹圃旃に嚭头庋b技術才能將不斷優(yōu)化產品性能,適應新的應用需求。 目前運放產品主要采用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封裝以及結構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,領先半導體廠商還在不斷研發(fā)新的工藝和封裝技術以進一步提升運放產品的性能。設計人員一直在尋求更好的性能,對于電池驅動系統(tǒng),這通常表現(xiàn)在低功耗方面;而在工業(yè)、醫(yī)療和感測應用領域,精度和噪聲性能又成為關鍵指標,在某些情況下這就驅使采用更小的幾何工藝。 對于蜂窩電話和便攜式多媒體應用,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(0.5m to 0.18m)以及先進的封裝技術,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)展與技術的更新?lián)Q代使得放大器在當今的科技領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，運算放大器技術已經在半導體制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(fā)展過程中，IC制造商們利用上述先進技術設計出了近乎“完美”的放大器。雖然什么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

10、教科書為了得到簡單的傳遞函數(shù)而做出的種種假設。未來放大器市場增長的驅動力主要有三方面：其一,便攜式應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)療影像等領域的先進應用是提升放大器性能的主要驅動力;DSL和消費類視頻應用是最大的市場,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動器。而整合了濾波、多路技術以及DC恢復等功能的消費類視頻放大器也被看好。從應用的角度講,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)設計至關重要

11、。對于通信、高速測量儀表及超聲波設備等高速應用,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品出現(xiàn),強調低功耗、低電壓的運放應運而生。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、更快的轉換率和更低的失真度),所以在這些領域低功耗運放也有創(chuàng)新機會。 精密運算放大器：精密放大器最初設計用于測試和測量設備,隨著汽車和生產線上的性能監(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達到它們使用15V才能得到的精度。這促進了許多架構和微調技術方面的創(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、自動置零和數(shù)字微調的有關附加電路的集成。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電壓低于1mv的運放。與低電壓/低功耗運放不同,這類產品由于對信號精準度的要求極高,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重干擾此類運放的正常運作,因此就現(xiàn)階段的技術來看,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域。3進展情況隨著科學技術的進步，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備的功率放大器。作為先進科技的先驅，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和其它高頻應用的功率放大器的高輸出要求。這一新技術能夠將功能放大器和CMOS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工藝技術把新型晶體管技術應用到3.3 V I/O的標準晶體管上，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。利用制造技術和制作工藝的進一步發(fā)展，各國科學工作者將持續(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鍵的指標。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鍵的指標25。處理小信號,必須特別注意線路產生的噪聲。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