集成運(yùn)算放大器:制造工藝對(duì)其性能影響

國(guó)營(yíng)七七七總廠半導(dǎo)體廠高級(jí)工程師　 劉邦彥

　　運(yùn)算放大器的結(jié)構(gòu)形式主要有三種：模塊、混合電路和單片集成電路。對(duì)于設(shè)計(jì)工程師來(lái)說(shuō)，不僅是要知道所用產(chǎn)品的型號(hào)，而且還應(yīng)熟悉生產(chǎn)這些產(chǎn)品的工藝，從而能夠從一類放大器中選出一種放大器做特定的應(yīng)用。表1 給出了各種運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)的性能情況。

　　 模塊

　　 目前使用幾種工藝生產(chǎn)運(yùn)算放大器，性能最高的放大器是以模塊的形式由分立元件構(gòu)成的。因?yàn)槭褂梅至⒃?，所以可選用像高壓輸出晶體管、超低電流的FET管以及阻值很高的電阻等等這類專門(mén)制作的元件。在模塊的設(shè)計(jì)中，在電氣測(cè)試時(shí)（密封之前）通過(guò)對(duì)直流參數(shù)（比如失調(diào)電壓）或交流參數(shù)（比如建立時(shí)間）進(jìn)行細(xì)調(diào)的方法來(lái)選擇電阻和電容是可能的。

　　 模塊工藝的缺點(diǎn)是實(shí)際的尺寸較大和價(jià)格高。由于每個(gè)模塊都是單獨(dú)構(gòu)成的，大量加工制造是不現(xiàn)實(shí)的，并且制造成本相對(duì)地也是很高的，但是對(duì)于那些對(duì)性能有極高級(jí)別要求的特殊應(yīng)用來(lái)說(shuō)，由于模塊運(yùn)算放大器的規(guī)范由生產(chǎn)廠來(lái)保證，所以它們還是有吸引力的。模塊運(yùn)算放大器包括斬波穩(wěn)定放大器、可變電抗靜電計(jì)放大器和寬帶高速放大器。

　　 斬波穩(wěn)定放大器

　　 當(dāng)需要放大（或縮小）電平極低的電壓信號(hào)時(shí)，要使用斬波放大器。斬波放大器的內(nèi)部是交流耦合的--有效的差動(dòng)輸入信號(hào)被斬波成方波，這個(gè)方波被解調(diào)和放大。交流耦合消除了許多與運(yùn)放有關(guān)的誤差，因此失調(diào)和漂移極低。斬波放大器的主要性能指標(biāo):
低失調(diào)電壓　　10　A
低失調(diào)漂移　　0.1　V/℃
長(zhǎng)期穩(wěn)定性　　1　V/年
高開(kāi)環(huán)增益　　107V/V
低溫升漂移　　3　V
靜電計(jì)放大器

　　 當(dāng)需要盡可能高的輸入阻抗和最低的偏置電流時(shí)，要使用靜電計(jì)放大器。靜電計(jì)放大器內(nèi)部也是交流耦合的，輸入信號(hào)被加到包括低漏流的變?nèi)?a target="_blank">二極管（電壓可變電容）的電橋上，該電橋由高頻載波信號(hào)所激勵(lì)。輸入電壓引起電橋的不平衡，合成的交流誤差信號(hào)被交流耦合到下一級(jí)，在那里被同步解調(diào)和放大。使用低漏流可變電容產(chǎn)生的輸入電流低至10fA（1fA=10-15A），獲得這樣的低電流是以較高的失調(diào)電壓為代價(jià)的。

　　 高速放大器

　　 用模塊的形式可以很容易地構(gòu)成高速放大器，集成電路結(jié)構(gòu)的許多限制在這里不適用。例如，集成電路放大器由生產(chǎn)廠制作工藝造成的晶體管缺陷而引起的速度限制就不存在，模塊的設(shè)計(jì)就可以使用具有所要求頻響的經(jīng)挑選的晶體管，由于許多寬帶放大器被用在驅(qū)動(dòng)75　負(fù)載的視頻領(lǐng)域，所以必須提供大的輸出電流。

　　 對(duì)于這樣輸出特性所要求的功率，靠模快的較大熱媒質(zhì)來(lái)耗散要容易得多。超高速放大器性能如下：
快的建立時(shí)間　　100ns(到0.01%)
轉(zhuǎn)換速率　　　　1000V/　s
全功率帶寬　　　10MHz
輸出電流　　　　10mA
混合放大器

　　 很多與模塊結(jié)構(gòu)同樣的好處也適用于混合放大器，和模塊的情形一樣，可以把單一封裝里用不同的（以及不相容的）工藝制作的元件組合起來(lái)，混合結(jié)構(gòu)超過(guò)模塊結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是有較小的尺寸和較低的成本。通常把混合工藝應(yīng)用于運(yùn)算放大器是為了改善偏置電流、輸出驅(qū)動(dòng)能力或有超過(guò)單片或分立設(shè)計(jì)器件的帶寬。
混合FET輸入運(yùn)算放大器：
低偏置電流 達(dá)75fA
低失調(diào)電壓 達(dá)0.25mV
低漂移 達(dá)3　V/℃
適中的成本 5~10美元的范圍內(nèi)

　　 直至最近，多數(shù)由精密匹配的FET差動(dòng)放大器組成的FET輸入放大器被單片運(yùn)算放大器所取代，盡管現(xiàn)在能夠用雙極兼容工藝制造結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，但最高精度的JFET輸入運(yùn)放仍舊用混合工藝技術(shù)制成。盡管能夠購(gòu)買(mǎi)一對(duì)分立的低漏流的FET管，并把741運(yùn)放接在這一級(jí)的后面，但通常由混合單元可以獲得更好的性能。例如，混合電路的規(guī)范由生產(chǎn)廠來(lái)保證并測(cè)試，任何需要的調(diào)整一般也由生產(chǎn)廠來(lái)完成，當(dāng)然，一塊封裝好的混合放大器不比741占據(jù)更多的空間，而性能上卻呈現(xiàn)數(shù)量級(jí)的增長(zhǎng)。

　　 寬帶混合放大器
●可以在較小的封裝里進(jìn)行成對(duì)的模塊設(shè)計(jì)在芯片形式上使用分立晶體管
●適用于視頻應(yīng)用

　　 混合工藝也允許放大器由一批分立的高頻晶體管構(gòu)成，實(shí)際上，在采用與模塊一樣元件的混合形式中，使模塊放大器電路成對(duì)也是可能的，但要采用未封裝的芯片的形式。模擬器件公司的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)了各種各樣的適合于視頻應(yīng)用的寬帶混合放大器。

　　單片集成運(yùn)算放大器

　　使用最廣的運(yùn)放是單片集成電路型，各種各樣的集成電路運(yùn)放是由許多不同的賣(mài)主處得到的，這些年來(lái)，設(shè)計(jì)和工藝方面的改善促使很高性能運(yùn)放的形成，由于供特定應(yīng)用所要求的運(yùn)放規(guī)范常常支配選擇最好的運(yùn)放工藝，所以對(duì)于運(yùn)放的用戶來(lái)講，至少要了解在集成電路運(yùn)放制作中所采用的各種工藝，是很有用的。各種工藝的比較列于表２。

　　 一、標(biāo)準(zhǔn)的雙極工藝

　　 在大多數(shù)運(yùn)放中使用的是標(biāo)準(zhǔn)結(jié)隔離的雙極工藝，生產(chǎn)三種基本晶體管：高質(zhì)量的縱向NPN晶體管、高質(zhì)量的縱向PNP管和質(zhì)量稍差的橫向PNP晶體管。由于縱向PNP管的集電極常常要接到負(fù)電源上，所以限制了它的實(shí)用性，這樣，在放大器電路的其它地方能被采用的兩種晶體管就是縱向NPN和橫向PNP。橫向PNP管的性能指標(biāo)較低（　和fT 低），它基本上是用在偏置電路中，所以，在盡可能多的有效信號(hào)通道中使用的就是NPN管。采用標(biāo)準(zhǔn)雙極晶體管的放大器，其基流一般在100nA到1　A的范圍內(nèi)，有相當(dāng)?shù)偷氖д{(diào)電壓和漂移，以及低電壓噪聲。這類放大器的實(shí)例有741和301等。

　　 二、超　工藝

　　 超　工藝是標(biāo)準(zhǔn)的雙極性工藝的一種補(bǔ)充。利用一個(gè)附加的擴(kuò)散步驟，就可以生產(chǎn)　值為幾千的NPN晶體管，輸入偏置電流降低約一個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到10nA或更低。輸入級(jí)增大的增益降低了輸入偏置電流，并改善了共模抑制能力，這是精密放大器的兩個(gè)重要規(guī)范。超　運(yùn)放的典型開(kāi)環(huán)增益為幾兆，共模抑制比超過(guò)100dB，輸入失調(diào)電壓特性類似于或超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的雙極型運(yùn)放。超　放大器的例子有308、AD510和AD517等。

　　 三、介質(zhì)隔離雙極型

　　 在常規(guī)的雙極性和超　集成電路中，各個(gè)晶體管是利用反相偏置的p-n結(jié)彼此隔離的，限制橫向PNP晶體管（并且歸根結(jié)底限制放大器）的帶寬的是這些寄生電容。介質(zhì)隔離（DI）工藝?yán)帽⊙趸瘜觼?lái)提供晶體管之間的隔離，于是使得制造高速PNP晶體管進(jìn)而生產(chǎn)高速放大器成為可能。

　　 然而DI工藝不是沒(méi)有其局限性的，氧化層很容易被靜電放電擊穿，結(jié)果導(dǎo)致器件的損壞。另一個(gè)缺點(diǎn)是DI電路比p-n結(jié)隔離的等效電路需要更大的幾何面積，結(jié)果要求稍大一點(diǎn)的芯片尺寸。

　　 四、BIFET工藝

　　 BIFET工藝使用離子注入，在同時(shí)包含標(biāo)準(zhǔn)的雙極型器件的芯片上，制作高擊穿電壓的結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管（JFET），可以把這樣一對(duì)JFET管用作運(yùn)放的輸入器件，通常是以犧牲失調(diào)電壓、漂移、CMR和噪聲指標(biāo)來(lái)獲得其它一些性能。較新的設(shè)計(jì)為工廠修正BIFET運(yùn)放的失調(diào)電壓和漂移提供了可能。一些精密的BIFET型放大器的實(shí)例有AD542、AD544、AD547和雙運(yùn)放AD642、AD644、AD647。

　　 五、BI-MOS工藝

　　 由于JFET能被用作高阻抗的輸入級(jí)，人們可能很想考慮把MOSFET管用于同一目的，某些廠商開(kāi)發(fā)出能使MOSFET包含在雙極型集成電路上的生產(chǎn)工藝。理想狀態(tài)MOSFET管僅有氧化物漏流而沒(méi)有JFET中的結(jié)漏流。這一漏流低得多，可能使輸入偏置電流降低，然而，MOSFET是種ESD敏感器件，它要求在輸入級(jí)上有二極管保護(hù)，常常是這些二極管呈現(xiàn)的漏流至少像JFET輸入放大器的輸入偏置電流一樣大，而且在音頻頻譜內(nèi)，MOSFET往往是比JFET更多的噪聲源，而且直流失調(diào)很難控制。

　　 當(dāng)MOSFET被用于一個(gè)運(yùn)放的輸出級(jí)時(shí)，它能使輸出擺動(dòng)到接近于電源電壓。在常規(guī)的雙極型輸出級(jí)中，輸出擺幅受飽和電壓和其它影響的限制。重要的一點(diǎn)是，要注意必須給MOSFET輸出級(jí)加一點(diǎn)載荷，以減少它對(duì)RON的影響。

　　 六、CMOS工藝

　　 放大器全部由MOSFET管構(gòu)成也是可能的，但如果按著傳統(tǒng)的運(yùn)放設(shè)計(jì)來(lái)構(gòu)成，則這些放大器表現(xiàn)的性能很差。較新的設(shè)計(jì)是使用CMOS開(kāi)關(guān)和外部電容來(lái)提供失調(diào)電壓抵消，這類似于在斬波穩(wěn)定放大器中使用的方法，這種設(shè)計(jì)有噪聲高、輸出能力差和限制電源電壓范圍的缺點(diǎn)。

　　 七、激光修正

　　 激光修正技術(shù)可以適用于上述的芯片上含有薄膜電阻的任何一種形式的放大器，通過(guò)修正一對(duì)電阻中的一個(gè)電阻，可以調(diào)整差分輸入級(jí)中的工作條件，以便降低失調(diào)電壓。這種技術(shù)使得常規(guī)生產(chǎn)的雙極輸入運(yùn)放，可保證具有低至25　V的失調(diào)電壓，而高性能的BIFET放大器可保證只有250　V的失調(diào)。經(jīng)失調(diào)調(diào)整的放大器能夠制成精密的電路而不需要外部失調(diào)調(diào)節(jié)。外部調(diào)節(jié)常常易遭受電位器不穩(wěn)定、機(jī)械沖擊以及意外的失調(diào)等影響。

　　 八、“Zener-Zap”修正

　　 修正失調(diào)電壓的另一種方法是所謂的“Zener-Zap”修正。在激光修正中，是通過(guò)修正電阻來(lái)改變雙極型差分級(jí)中的射極電流。在“Zener-Zap”中，用計(jì)數(shù)的方法（類似于DAC）調(diào)整一系列電流源以造成電流的平衡，從而形成了最低的失調(diào)電壓。當(dāng)通過(guò)檢測(cè)設(shè)備規(guī)定了電流源的正確組合時(shí)，把高壓脈沖加到期望的電流源上，來(lái)對(duì)它們實(shí)行永久編程。

　　 “Zener-Zap”唯一不利的方面就是可編程電流源比一對(duì)薄膜電阻要求占用更大量的芯片面積，因而它不適用于用做需線形調(diào)節(jié)的數(shù)據(jù)變換器，其優(yōu)點(diǎn)是它不要求薄膜淀積工藝步驟。AD OP-07是“Zener-Zap”修正運(yùn)放的一個(gè)例子。