揭示运算放大器未来发展趋势，创新技术带来电子设计新变革
为什么有如此多的选择？
实际上，选择放大器在今天是一个相当复杂的事情。其部分原因在于，系统设计要求的多样性，以及电路配置的多重性，不同的放大器产品根据应用领域的不同需要在性能上进行折衷。进行放大器设计的工程师在不断推动技术发展，而在可预见的未来，这种趋势还将继续演进。目前，ADI等制造公司，正在将新的工艺技术、新的封装技术，以及新的制造能力进行结合，制造今天许多挑战性应用所需的“完美”型放大器。每一种应用都是一个不同技术指标的组合体，所以其使用的放大器数量也将不断增加才能满足其要求。与原来的运算放大器相比，今天的产品扩展了带宽、降低了电源电压、减小了功耗电流、节省了PCB面积而且降低了成本。随着对信噪比(SNR)要求的增加，以及实际信号处理在家用电器和工业设备中得到越来越广泛的应用，这种趋势还将继续发展。
今天的制造工艺和电路设计
让我们对需要外部补偿和外部失调调整元件的放大器(比如LM709)做一简单的历史性回顾。这些产品中的大多数，都是采用双极型工艺在两英寸晶圆上制造而成；它们仅提供双列直插(DIP)封装和TO-99金属圆壳封装，并且其主要应用领域是工业仪器仪表；其低功耗特性意味着从±15 V电源中吸取几毫安(mA)电流；制造商给出的技术指标只强调其直流（DC）参数；这些产品合格率低，但是价格很高。
在当今的精密放大器领域，微弱信号设计工程师关注一些重要因素，例如低电源电流、低失调电压、低噪声、低偏置电流等。最新放大器采用创新设计和工艺，能够提供不断超越用户期望的性能。设计工程师使用电路和产品测试技术(例如自稳零、Digitrim数字微调、熔丝熔断和激光微调电阻器等方法)，促进优化每一项技术指标，从而设计出几项具体参数接近理想指标的放大器。像AD8628这样的放大器，已经将其失调电压指标优化到几微伏(μV)。
制造商在工艺技术的各个方面都取得了重大进步。这些进步允许放大器设计工程师充分发挥每种工艺的性能和功能。CMOS工艺已经从先进技术(受到数字微处理器推动)的进步中获益，模拟放大器设计工程师们也早利用其获得了低成本下的高性能。过去，超高性能放大器产品都需要利用双极型工艺进行设计；现在，模拟放大器设计工程师能够克服CMOS工艺电压噪声较高的缺点，兼备低噪声和超低偏置电流(可能来自氧化物绝缘栅极)。为达到这一目的，ADI公司已经开发了专有的iCMOS工业CMOS工艺，并于不久前推出了具有最低噪声(4.5 nV/√Hz)的CMOS放大器AD8651，和拥有超低电源电流(每放大器1微安)的AD8500。
但是，目前许多高性能运算放大器仍然使用双极型工艺，因为这种工艺可以提供明显的模拟设计优势，而且几乎不需要进行性能折衷。各种新的工业双极型工艺，例如ADI公司的iPolar沟道隔离工艺技术，通过先进的制造工艺和结型场效应管(JFET)等器件，显著减小了管芯尺寸。这些在制造工艺上的新进展，允许放大器设计工程师开发出具有无与伦比性能参数的产品。其中一个例子是AD8599，它将宽带噪声减小到几乎测不到的程度(1 nV/√Hz)。
在高速放大器领域，超快速制造工艺(ultra-fast processes)允许ADA4899-1等器件具有310 μV/s的转换速率和250 MHz的带宽。
虽然管芯尺寸在不断减小，但与此同时放大器性能却在尽一切可能进行提高，这就使得我们能够能放大器封装尺寸缩小到令人难以置信的程度，缩小到甚至裸眼观察不到的水平。
未来的发展趋势
对于那些需要采用AA电池(5号电池)或镍金属氢化物(NiMH)电池供电的应用而言，尺寸和功耗都是首要关注的问题。现在，放大器的工作电源电压已经降低到1.8 V，并且仍然在减小。当完全需要精密、低电压工作和低功耗时，AD8500(1μA电源电流)是最佳选择。只需单节电池供电，精密放大器就能工作。为了节省功耗，许多放大器产品还需要智能关断电路。
将其它功能与放大器集成在一起也可以降低系统误差。例如，AD8555可为传感器信号调理应用提供许多前所未有的优势，例如增益调整、失调调整和故障检测电路。集成度的进一步增加可以包括线性度校正、频率成形或其它功能，以便开发更多完整的解决方案。
制造工艺和设计趋势将继续为用户提供更低价格、更小封装且提高指标的器件，R-R性能和功耗等现存问题，将继续得到改进，而放大器则会更接近于其“理想”状态。
工艺和封装技术的不断进步，能够在更小的封装内继续提高集成度，从而增加功能并提高性能。放大器还要集成其它功能，当然，这也会是在非常小的封装内。各种封装材料的进步，还有望实现集成度更高的参数所规定的技术指标。
未来提供的放大器产品，也应该更易于设计到系统中。而制造商们，也将把更多的精力集中在放大器的设计工具上。传统的PSPICE模型将被更为精准的模型所取代，后者包括了更多的放大器参数。附加的工具有助于分析放大器的稳定性、DC误差和AC误差。设计工程师使用SPICE模型模拟已选放大器的通用性能，从而可以选择元件、快速配置电路、施加信号并且在网上评估放大器的通用性能。现在用户可以使用在线参数评估工具，快速有效地完成实时仿真，并且检测出各种参数和体系结构中存在的潜在问题。制造商将开发出用于网站的向导工具，为设计工程师的问题提供每天24小时在线的专家指导。
作者: Reza Moghimi
精密信号处理部应用工程经理
Craig Wilson
精密信号处理部技术专家
美国模拟器件公司
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