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也許上面這張圖片最能反映放大器的工作,放大的同時帶來信號的失真和噪聲,反饋等技術的應用最終有限度地解決了放大器的必然缺陷,人們對放大器的要求開始轉向其他方面。 幾乎現階段每個完整的電子產品中都離不開放大器,而放大器性能的提高對電子產品的功能起著重要的決定作用。說不清是放大器的發展決定了電子產品的發展進程還是電子產品的發展需求推動了放大器的發展空間,從電子產品的發展需求和放大器的發展趨勢分析中我們或許可以尋找到答案。 運算放大器歷經數十年的發展,從早期的真空管演變為現在的集成電路,根據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、汽車電子以及工業控制系統等。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都可采用通用運放。信息家電、手機、PDA、網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。 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,不同的系統對運放有不同要求,選擇合適的運放對于系統設計至關重要。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,直流方面的特性則通常更為重要。衡量系統在交流特性方面的參數有信號帶寬、失真率、噪聲等;而衡量系統在直流特性方面的參數有輸入補償電壓、開環增益、輸入偏置電流及共模抑制比等。 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,于是開始向高速化發展,未來高速運放可能躍升為主流運放產品。總體而言,高速運放主要應用在xDSL調制解調器、機頂盒以及視頻系統中,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。 與傳統采用“二入一出”架構的運放相比,“二進二出”的差動輸出由于同時輸出兩個反相的信號,因此系統工程師可以通過兩個信號的比較得知輸出信號在未受噪聲或失真影響前的波形,從而使設計工程師可以及時解決信號鏈上可能出現的問題。 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,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、測量和醫療系統,工程師也希望在低功耗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視子系統的需要,具有低輸入偏移電壓和偏移電流以及低溫度系數和噪聲特征的精密放大器開始用于傳感器監視。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可以增加額外電源。CT、MRI(核磁共振)和超聲波機等醫療系統中的通道計數急劇增加讓放大器必須跟上ADC的發展。就工藝而言,0.25μm芯片規格似乎是最佳點。 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,因此就現階段的技術來看,這類運放將是最不容易被整合的組件。高精度運放可用于工業自動化、醫療器材、量測儀器、汽車電子、甚至軍事國防等不同領域。 通用運放在傳統應用領域仍有發展空間 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。然而因為運放在業界已被廣泛采用數十年之久,有些應用產品的生命周期也長達十多年,因此很多傳統產品仍有其一定的市場需求,例如在汽車與工業自動化領域,就有很多設備還是需要用到傳統的通用運放。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,各類運放的市場規模都將呈現增長態勢。便攜式音頻/視頻播放器、無線通信、醫療成像、工業和儀器儀表等應用領域都將為下一代運放創造新的機會。 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具有競爭力的產品,只有配合適當的制造工藝和封裝技術才能將不斷優化產品性能,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。此外,領先半導體廠商還在不斷研發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,這通常表現在低功耗方面;而在工業、醫療和感測應用領域,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(0.5μm to 0.18μm)以及先進的封裝技術,例如倒裝芯片。 而對于DVD和其他視頻應用,帶有非常平直的30MHz帶寬的高速放大器可用于高清數字電視;在視頻放大器中集成重構的濾波器,可以濾除來自視頻數模轉換器的噪聲;多輸入/輸出視頻放大器支持不同格式的視頻信號,這就需要采用雙極或BiCMOS工藝技術。 對DSL應用而言,快速、高電壓處理很關鍵。目前TI正以新的工藝技術拓展在該領域的能力以滿足未來的需要。TI已推出高輸出電流、高增益帶寬的雙運算放大器OPA2614。該器件具有低輸入電壓噪聲和低諧波失真等特性,可為差動配置的DSL驅動器解決方案提供高動態范圍。Jim Karki透露,很快TI將發布更多的集成模擬視頻處理產品。 降低噪聲與提高集成度是未來運放發展的瓶頸 眾所周知,噪聲對運放是非常關鍵的指標。在大多數應用中,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的正常運作。 所以不管是通用型、低電壓/低功耗、還是高精度或高速運放,都需要把組件本身的噪聲抑制到最低程度,才能有效實現信號路徑的整體匹配,達到最佳的應用效果。 此外,為滿足日益豐富的應用需求,放大器不再只是單一的產品,而是與其他器件集成在一起以提升性能與產品價值。例如在視頻放大器中整合濾波、多路技術以及DC恢復等功能。 功率放大器 作為無線通信設備中最具關鍵的零組件之一,功率放大器（PA）除了關系到各種通信系統的通信品質外,同時也是系統設備中最消耗功率以及體積較大的電路組件。藉由功率放大器的作用,移動電話可將傳輸信號功率放大,再藉由射頻信道將信號發送出去。若將移動電話信號的發射比做人體血液的循環,則PA可比做人體內心臟的角色,射頻信道則如同血管;好的PA正如同一顆強而有力的心臟,因此PA的好壞直接影響到信號傳輸的品質。 一般而言,功率放大器的應用領域涵蓋蜂窩行動通信系統、衛星通信系統、微波通信系統、雷達、軍事用途,以及ISM/WLAN等不同產品。其中又以移動通信系統為PA最大的應用領域。目前應用于移動電話中的PA,依其種類可分為分布式晶體管組件、單芯片、以及模塊等型式。由于PA是移動電話零組件中耗電量最大的組件,因此在制程技術的采用上,具電子移動率低、高頻使用功耗低、且操作頻率高等優點的GaAs制程技術變成了移動電話PA主要的制程技術。隨著移動電話系統逐漸由2G朝向2.5G與3G前進,操作溫度、耗電量、與效率等要求更加嚴格的情形下,PA廠商亦開始投入InGaP HBT、E-mode PHEMT等新制程技術的研發與生產工作。 另一方面,為了能使移動電話射頻組件進一步朝向整合,甚至是射頻系統單芯片的目標發展,制造成本較GaAs具競爭力,且性能逐步拉近的SiGe制程亦逐漸成為廠商極力發展的重點。因此,隨著IDM與硅晶圓代工大廠紛紛投入SiGe制程,未來SiGe將可能成為GaAs半導體廠商在移動電話PA市場最大的競爭對手。 值得注意的是,PA在移動電話中的應用最明顯的趨勢則是PA組件朝向模塊化產品的發展。自90年代末期,Conexant Systems與Hitachi相繼以多芯片模塊（MCMs）的方式制造PA后,PA組件由早期的分散組件模式逐步朝向MMIC,而近一、兩年,則更進一步采用多芯片封裝技術整合了PA、switch和filter于同一個模塊上,因其簡便、易于使用的優點,頗能適合須快速推出新產品的移動電話發展潮流。 D類放大器 傳統的D類放大器在通過功率MOSFET進行放大前,需使用一個控 制器將模擬或數字音頻轉換為脈寬調制(PWM)信號,這個控制器一般集 成在一個功率后端器件當中。這類放大器擁有高效率的優點,可采用 小型(或不使用)散熱器,并降低電源輸出的功率要求。然而,與傳統 的A類和B類放大器相比,這類放大器在成本、性能和電磁干擾(EMI)等 方面的存在著固有的系統問題。今后D類放大器將朝著解決這些問題的 方向發展。 降低輻射EMI 自從D類放大器誕生以來,放大器軌對軌交換所帶來的高強度輻 射EMI問題就一直困擾著系統設計人員。這將導致設備無法獲得所需 的FCC和CISPR認證。在D類調制器內,通過將音頻波形和一個高頻 恒定波形進行比較,并在固定載波頻率的基礎上對比較結果進行調制, 使數字音頻信號轉換為PWM信號。產生的信號有多種脈寬,但只有一 個固定載波頻率(通常是幾百千赫)。然后由一組高壓功率MOSFET對 這個PWM信號進行放大。在通過低通濾波器時,放大后的PWM信號的載 波頻率被消除并代之以原基帶音頻信號。 擴頻調制機制常應用在帶寬較寬的PMW信號交換中,它能夠擴頻 能量。傳統的PWM調制器通過改變PWM信號交換邊界來校正過高的EMI。 雖然信號集中于載波頻率,但每條邊界卻是周期到周期重復的。盡 管這種機制有益于維持常恒定的載波頻率,但由于邊界并不總以恒定 的速率交換,因此載波頻率的輻射能量(和相關結果)都被大大降低了。 改善音質 當人們將D類放大器和A、B類放大器對比時,通常認為D類放大器 的音質較差(高失真率和低動態范圍)。殊不知D類放大器的設計人員 目前也正在為改善音頻質量而努力。新的解決方案中集成了高性能取 樣率轉換器(SRC)和Δ-Σ處理,能夠降低失真率(THD+N)并 將動態范圍提高100多個dB。 音頻取樣時鐘內的抖動是目前D類放大器的噪聲源之一。這類時 鐘通常是由SOC(如MPEG解碼器、DSP等)產生的。由于調制器的輸出是 通過音頻時鐘計時的,因此哪怕只有少量抖動也會極大地影響音質, SRC正是針對這個問題的解決方案。SRC運用本地穩定時鐘源(如石英 振蕩器)對數字音頻重計時,因此調制器輸出實際上獨立于任意一個 音頻時鐘上的抖動。SRC的另一個好處在于,無論輸入音頻取樣率如 何,它都擁有固定的交換率,這一點區別于那些采用PLL的調制器。 通過消除音頻源改變和輸入時鐘丟失對音響造成的負面影響,SRC還 改善了系統的耐用性。 降低系統成本 消費電子產品設計人員在功率級正在采用半橋放大器拓撲結構, 簡化了器件結構,降低了材料成本,從而解決了D類放大器成本偏高 的問題。從名稱上就能看出,半橋的輸出僅為普通全橋輸出的一半, 功率MOSFET和外接濾波器件的數目也減少了1/2。器件數目的減少 不僅有利于降低成本,而且有利于節省器件的占板空間,簡化設計的 復雜性,減少每個功率后端器件的通道數目。但半橋放大器輸出時需 要一個隔直流電容器,而且極容易受到交流電源軌的影響而產生噪聲。 電源抑制反饋 由于半橋是一個單端點拓撲結構,因此它沒有各種全橋拓撲結構 中常規的模式抑制。在全橋放大器中,放大器的各類輸出都通過同一 個電源供電,共用電源噪聲將影響所有輸出效果。在半橋中,任何源 于電源的交流電波噪聲都會耦合到輸出中。半橋對電源噪聲的敏感性 決定了采用電源抑制反饋(PRS)的必要性。 雖然模擬D類放大器內置了若干PRS,但數字D類放大器卻沒有。 目前,數字PSR應用外接模/數轉換器(ADC)來監測放大器電源。調 制器數字部分負責反饋和噪聲消除處理。有些廠商只將這種反饋用于 補償PWM輸出的電源軌的交流電噪聲,降低了系統的整體性能。而另 一些廠商還將它作為對直流電源級改變(衰減)的補償手段,這種變化 通常是使用低頻率音頻(超重低音喇叭)或電力線波動所造成的快速電 流浪涌引起的。 經過了以上技術進步,D類放大器的性能表現也可與傳統的直線 放大器旗鼓相當。數字信號處理已克服了聲音處理中歷史性的模擬難 題。有了性能更好的數字放大器解決方案,工程師們將能夠更便捷地 將其集成到日益成為主流的數字系統當中。 綜合起來,發展趨勢可概括如下： 1. 需要精密運算放大器的應用正在增長,特別是在汽車市場中。 2. 與此同時,失調、噪聲和溫度系數正在進一步改善之中。 3. 與以前的放大器相比,最新的放大器對于布局的要求更低。 4. PCB板上可以僅有一個電源電壓軌嗎？這是可以的。因為現在的放大器芯片本身可以產生它所需要的電壓。 5. 汽車制造商仍在猶豫采用D類音頻功率放大器,但是它們離實際采用的日子已經越快越近了。(它們已在備件產品中采用,但別抱怨AM干擾！) |
