提升放大器工艺和设计能力之路

作者：Sunny Sun

放大器是电路设计中最基本的器件，对于提高电子产品的性能起着至关重要的作用。运算放大器、功率放大器、低噪声放大器等不同种类的放大器广泛应用于通信、工业、医疗、汽车、消费电子等各个领域。经历了几十年的发展后，放大器在电路设计以及半导体工艺等方面都有了很大的进步，但要满足各类应用尤其是新兴应用的挑战，放大器的技术发展必须走在应用需求的前列。本文将重点介绍国际知名半导体厂商的最新技术、有关放大器的选型建议以及本土厂商近年在该领域取得的成就。

以工艺创新解决技术瓶颈

如何提高各种性能与集成度是未来放大器产品发展遇到的主要技术瓶颈。例如，如何保证在更低功耗条件下的更低噪声，因为在特定工艺下要降低噪声必然会产生更高的功耗。还有，如何在提高集成度的同时保证性能或达到更高性能。要解决这些矛盾的需求，必须从工艺、设计等方面进行创新。

在工艺发展方面，ADI注重发展双极性工艺的同时也积极推进CMOS以及其他工艺。ADI集成放大器产品策略市场经理廖文帅表示，双极性工艺例如IPOLAR，可以满足最新应用需求下的精密放大器设计挑战，具有更小的面积、更低的功耗、更低的噪声、更好的温度性能和更低的成本。ADI的仪表放大器AD8229以及具过压保护功能的精密放大器ADA4091等都是基于该工艺。而CMOS工艺也可满足小体积、高性能等需求，ADI的首个240MHz高速放大器ADA4891就是CMOS工艺的代表器件。

SiGe工艺对于诸如高电源效率放大器等高速应用很有效。凌力尔特基于此工艺开发出的LTC6252系列运算放大器(图1)仅消耗最大3.5mA电流，增益带宽积(GBW)为720MHz、宽带噪声2.75nV/√Hz。LTC6255系列放大器仅消耗最大 75uA 电流，同时实现了 6.5MHz GBW和20nV/√Hz的宽带噪声。LTC6246系列消耗最大1mA电流，GBW为180MHz，宽带电压噪声仅为4.2nV/√Hz。这些器件还具有高转换率、高DC精确度和轨至轨输入及输出，且采用非常小型的封装，适用于工业、仪表、汽车等对于电源效率的要求较高的应用。

图1：LTC6262系列简化原理图。

在满足高频应用方面，ANADIGICS公司推出了InGaP-Plus工艺。该工艺可以在同一个InGaP芯片上集成双极晶体管和场效应晶体管，通过允许设计师使用多条增益链路来设计功放，解决了功放的优化问题。这使得功放在不同功率水平可以进行独立的优化。ANADIGICS最新HELP4 LTE和HELP3 DC功率放大器都采用了该工艺技术，最大程度的提高功率放大器在符合DG09功率分布曲线的网络中使用的效率。

据NXP国际产品市场经理潘璠介绍，NXP新的砷化镓(GaN)工艺在功率密度、耐用性、效率和宽带等方面的基本特性要远远高于硅器件。该工艺技术将极大地提高无线通信系统的大功率放大器设计效率。高功率密度特性使得GaN (图2)能够扩展到目前普遍采用真空管制造固态功率放大器的高功率广播应用上。尽管目前的大部分基站放大器都局限于特定应用，NXP的新GaN处理工艺的演进路线图将支持“通用发射机”，也就是说能够应用到多个系统和频段,实现系统和频率切换，从而即时满足基站覆盖区域要求,并且简化发射机生产和物流。

图2：WCDMA基站放大器技术效率与开发时间。

而另一家深耕于射频放大器领域的厂商安华高，在继0.25微米加强型pHEMT工艺后，近期推出了0.15微米耗尽型pHEMT工艺，该工艺技术非常适用于高宽带的放大器产品应用。

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迎接应用需求变化挑战

工艺技术的提升是为了解决放大器不断面临的挑战，这些挑战主要来自于应用需求的变化以及新应用的出现对技术提出的新要求，例如，电动汽车的雷达应用、无线通信的小型化、现代医疗系统和超高温应用等。传统应用如工业控制、工业仪表等还有很多新的问题和对旧的问题的创新解决方案等，例如工业控制的更高安全性、可靠性需求的过压保护(OVP)功能。

ADI集成放大器产品策略市场经理廖文帅表示，ADI理解客户会遇到ADC驱动的各种问题，推出了业界首款能够驱动DC至1GHz ADC信号的5GHz差分放大器ADA4960-1，其功耗仅为竞争产品的一半；业界首款完全差分衰减精密放大器AD8475，它解决了工业和医疗应用中的一个常见问题，能使高达±10V的信号与单电源ADC接口；ADL5565用于解决射频、中频的3V低功耗ADC接口问题。

此外，为了满足更好的满足客户需求，ADI还推出了基于放大器技术的系统级解决方案。例如比如应用于汽车雷达接收模拟前端AD8283(图3)，为解决超高温度范围(-40°C至210°C)内小信号测量问题的AD8229和解决快速、大动态范围精密有效值检测的AD8436。以AD8283为例，该方案采用CMOS工艺，针对低成本、低功耗、小尺寸及灵活易用的应用而设计。各通道具有16dB至34dB的增益范围，12位ADC转换速率最高可达80 MSPS。在最大增益下，所有通道折合到输入端噪声电压为3.5 nV/√Hz。通道专门针对动态范围与低功耗而优化，适合要求小封装尺寸的应用。其主要应用于汽车雷达，自适应碰撞控制，防止空中相撞，盲点检测，自停车和电子缓冲器。

图3：ADI雷达系统解决方案。

为了帮助模拟设计人员解决高压环境下实施高精度测量，TI推出了业界首款零漂移36V运算放大器OPA2188(图4)，该功放可在相同功耗下将失调电压漂移改善 4 倍，初始失调电压改善 60%，带宽提高 1 倍。主要用于对精度要求超高的高低电压电源应用，如测量测试设备、电子秤、医疗仪表以及流量计等。面向低电压、电池供电、低成本的工业类、消费类以及医疗应用TI也有相关的放大器产品，例如双通道 OPA2314 运算放大器，它实现了功耗与性能的完美结合，支持低静态电流、低噪声以及1.8 V至5.5V的宽泛电源。与性能最接近的同类竞争产品相比，OPA2314的静态电流锐降40%，极大的延长了烟雾及一氧化碳检测器、便携式媒体播放器、笔记本电脑、计算机外设以及血糖计的电池使用寿命。

图4：TI OPA2188输出失调电压与温度比较图。

在射频功率放大器应用方面的挑战也与日俱增。由于智能手机等无线设备必须支持多个频带和模式，射频部分的复杂程度和尺寸继续增加， 例如四频EDGE以及双频WCDMA和LTE。其次，数据使用的增加导致功率放大器必须频繁在高功率模式下工作，这就为提高效率从而改善手机的热效能带来巨大的压力。ANADIGCS业务拓展及市场副总裁Jerry Miller表示，HELP LTE功率放大器使用三种模式状态并针对没有DC-DC转换的情况进行了优化，以达到在典型应用环境中的最高能HELP3 DC功率放大器具有两种模式状态，旨在与DC-DC转换器搭配使用，从而通过开关模式电源提供行业领先的性能。

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放大器的选型建议

由于不同的应用对于放大器产品的需求不同，系统设计、电路配置的多样性，使得放大器的选型在当今是一个相当复杂的事情，只有非常有经验的工程师才能在数量非常庞大的放大器中挑选到最合适的器件。

首先，需确定各类不同的应用需求，设计师必须依据所需的最终产品谨慎选择元件。比如在便携式产品领域，设计师必须考虑封装选项，以及更小的封装是否会使性能降低。在电池供电的应用领域，由于电池电压会随着干扰而下降，因此应选择PSRR性能好的运算放大器。

其次，要全局考虑整个系统的性能要求，并充分考虑所要调理或接收的信号及传感器的特点，同时还要兼顾系统工作的环境等因素。要根据所设计的产品需求，综合考虑噪声，带宽，精度，温漂等参数。此外，放大器供应商的技术服务与支持可以使工程设计人员达到事半功倍的结果。

由于放大器的种类很多，应用领域相当广泛，所以在不同领域的选型方法也不尽相同。以射频功率放大器为例，线性度是非常重要的技术规格，因为它能帮助我们确定设备保持稳定无线连接的能力。功率放大器正是依靠这种能力得以精确再现射频输入频率和幅度的变化。邻信道泄露功率比 (ACLR) 常作为LTE等现代无线系统衡量功率放大器线性度的一项指标。线性度决定了功率放大器在以输入的一定比例驱动输出时的行为，增益则是该比例曲线的斜率。基本而言，增益代表输出功率与输入功率之比。

功率放大器必须接受收发器的输出 (典型值小于+3dBm)，并放大该信号而不失真。在选定能够提供线性信号且拥有充足增益的功率放大器后，RF设计师必须确保最终能得到充足的天线功率。来自收发器的信号在到达天线之前，必须先通过功率放大器、开关和滤波器。因此，功率放大器增益应提供充足的射频功率，以克服其他选定元件中的损耗，确保天线辐射功率达到+24dBm。线性度、增益和输出功率均可确保设备正常工作。不过，如果效率欠佳，设备的电池续航时间就会受到影响，因此效率也是一项极为重要的技术规格。

未来的市场需求

大家都认为未来市场增长的驱动力主要来源于以下几个个方面：第一，性能和价格压力导致能够集成其他功能的放大器具有广阔的市场前景；第二，高分辨率应用需要能降低噪声和失真度的放大器；第三，便携式应用对低功耗的要求将促使市场对具有低噪声电源电压/电流的放大器的需求增长。而在无线基础设施应用方面，要求放大器具有更高带宽，应使 BTS 和 RRU 系统能够支持更多的载波。

针对于以上市场需求，为了提高功率放大器的整体集成度、减少尺寸并提高效率，TI正在开发新一代功率放大器，包括多频带功率放大器、多模式功率放大器以及多模式多频带功率放大器。这些设备可以提高系统集成度，降低PCB占用面积，而且有助于智能手机实现纤薄设计。TI还致力于通过开发新一代功率放大器提高电池续航时间，这种功率放大器不仅在DG09曲线模式下性能卓越，而且具有杰出的高功率模式出色的效率。由于用户越来越多地采用LTE移动设备的高数据速率，这样便可延长电池的续航时间。

ADI高速放大器市场策略工程师韩凌瑄表示，ADI即将向市场投放具备2nV/√Hz低1/f噪声性能高速运放ADA4897。此外，ADI还会推出新一代的OP07系列产品ADA4077-2。针对特定应用的产品将更丰富，ADI会提供解决这些应用问题的标准器件，例如针对车载视频系统的应用，全新的ADA4830-1/-2 差动放大器以集成外围无源器件以及电池短路保护功能，能有效帮助客户节约成本、减小体积、缩短研发周期。

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本土厂商长路漫漫

国际厂商在放大器的工艺和技术上一直占据着领导者的位置，而近年来本土厂商也在这一领域取得了很大的进步，尤其是在低压低功耗设计方面。在中低端手机和小音箱市场，几乎所有5V 3W以内的功放都出自本土厂商。纳芯威总经理裴晓东表示，相比欧美厂商，本土IC厂商最引以自豪的应该是“性价比优势”。另一个优势是贴近客户，对于客户的需求和市场的趋势能够第一时间得到反馈，再凭借技术上的不断创新以及与客户之间的紧密沟通，为客户量身定做产品。

本土IC厂商的模拟产品的设计能力与欧美公司相比还有不小的差距，设计经验，生产工艺的缺乏以及市场的品牌认知度方面都有很大距离。帝奥微电子CEO 鞠建宏表示，本土厂商在在高压ESD，低噪音和低失真的技术上还面临较多的技术瓶颈。

此外，本土IC设计厂家面临的最大问题是无序竞争带来的产品价格压力，无序竞争表现在市场盲目跟风、技术抄袭，创新能力强的设计公司，凭借技术优势领先半年到一年的时间，然后被其他对手复制出一个类似的产品，并以低价进入市场，导致市场上的产品良莠不齐。

纳芯威总经理裴晓东强调，很多人在谈论本土和国外厂商的问题时，都强调了技术上的差距，其实技术是需要不断积累的，还有一个关键问题是公司的理念。一个没有长足发展理念，没有站在客户角度考虑公司的产品问题，这样的公司是不可能做到技术不断积累的。10年前我们强调本土IC公司的技术不如国外，10年后还在强调技术不如国外，这就不是一个技术问题了。

本文小结

放大器的种类繁多、应用领域广泛，一直走在半导体技术发展的前沿。随着制造工艺的不断进步，放大器能够在更小的封装内提高集成度，提供更多的功能并达到更高的性能指标。而随着设计能力的加强，未来的放大器产品也将更易于设计到系统中 。

本文来自《电子工程专辑》2011年11月刊，为本刊作者原创，谢绝转载。