國營七七七總廠半導(dǎo)體廠高級工程師　 劉邦彥

　　運算放大器的結(jié)構(gòu)形式主要有三種：模塊、混合電路和單片集成電路。對于設(shè)計工程師來說，不僅是要知道所用產(chǎn)品的型號，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。因為使用分立元件，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制作的元件。在模塊的設(shè)計中，在電氣測試時（密封之前）通過對直流參數(shù)（比如失調(diào)電壓）或交流參數(shù)（比如建立時間）進(jìn)行細(xì)調(diào)的方法來選擇電阻和電容是可能的。

　　 模塊工藝的缺點是實際的尺寸較大和價格高。由于每個模塊都是單獨構(gòu)成的，大量加工制造是不現(xiàn)實的，并且制造成本相對地也是很高的，但是對于那些對性能有極高級別要求的特殊應(yīng)用來說，由于模塊運算放大器的規(guī)范由生產(chǎn)廠來保證，所以它們還是有吸引力的。模塊運算放大器包括斬波穩(wěn)定放大器、可變電抗靜電計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?。╇娖綐O低的電壓信號時，要使用斬波放大器。斬波放大器的內(nèi)部是交流耦合的--有效的差動輸入信號被斬波成方波，這個方波被解調(diào)和放大。交流耦合消除了許多與運放有關(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/℃
長期穩(wěn)定性　　1　V/年
高開環(huán)增益　　107V/V
低溫升漂移　　3　V
靜電計放大器

　　 當(dāng)需要盡可能高的輸入阻抗和最低的偏置電流時，要使用靜電計放大器。靜電計放大器內(nèi)部也是交流耦合的，輸入信號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所激勵。輸入電壓引起電橋的不平衡，合成的交流誤差信號被交流耦合到下一級，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75　負(fù)載的視頻領(lǐng)域，所以必須提供大的輸出電流。

　　 對于這樣輸出特性所要求的功率，靠?？斓妮^大熱媒質(zhì)來耗散要容易得多。超高速放大器性能如下：
快的建立時間　　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，混合結(jié)構(gòu)超過模塊結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是有較小的尺寸和較低的成本。通常把混合工藝應(yīng)用于運算放大器是為了改善偏置電流、輸出驅(qū)動能力或有超過單片或分立設(shè)計器件的帶寬。
混合FET輸入運算放大器：
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差動放大器組成的FET輸入放大器被單片運算放大器所取代，盡管現(xiàn)在能夠用雙極兼容工藝制造結(jié)型場效應(yīng)管，但最高精度的JFET輸入運放仍舊用混合工藝技術(shù)制成。盡管能夠購買一對分立的低漏流的FET管，并把741運放接在這一級的后面，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)廠來保證并測試，任何需要的調(diào)整一般也由生產(chǎn)廠來完成，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)量級的增長。

　　 寬帶混合放大器
●可以在較小的封裝里進(jìn)行成對的模塊設(shè)計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。模擬器件公司的計算機(jī)實驗室生產(chǎn)了各種各樣的適合于視頻應(yīng)用的寬帶混合放大器。

　　單片集成運算放大器

　　使用最廣的運放是單片集成電路型，各種各樣的集成電路運放是由許多不同的賣主處得到的，這些年來，設(shè)計和工藝方面的改善促使很高性能運放的形成，由于供特定應(yīng)用所要求的運放規(guī)范常常支配選擇最好的運放工藝，所以對于運放的用戶來講，至少要了解在集成電路運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充。利用一個附加的擴(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數(shù)量級，達(dá)到10nA或更低。輸入級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重要規(guī)范。超　運放的典型開環(huán)增益為幾兆，共模抑制比超過100dB，輸入失調(diào)電壓特性類似于或超過標(biāo)準(zhǔn)的雙極型運放。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⊙趸瘜觼硖峁┚w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。另一個缺點是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)果要求稍大一點的芯片尺寸。

　　 四、BIFET工藝

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

　　 五、BI-MOS工藝

　　 由于JFET能被用作高阻抗的輸入級，人們可能很想考慮把MOSFET管用于同一目的，某些廠商開發(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被用于一個運放的輸出級時，它能使輸出擺動到接近于電源電壓。在常規(guī)的雙極型輸出級中，輸出擺幅受飽和電壓和其它影響的限制。重要的一點是，要注意必須給MOSFET輸出級加一點載荷，以減少它對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)的運放設(shè)計來構(gòu)成，則這些放大器表現(xiàn)的性能很差。較新的設(shè)計是使用CMOS開關(guān)和外部電容來提供失調(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)計有噪聲高、輸出能力差和限制電源電壓范圍的缺點。

　　 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，通過修正一對電阻中的一個電阻，可以調(diào)整差分輸入級中的工作條件，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，是通過修正電阻來改變雙極型差分級中的射極電流。在“Zener-Zap”中，用計數(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)通過檢測設(shè)備規(guī)定了電流源的正確組合時，把高壓脈沖加到期望的電流源上，來對它們實行永久編程。

　　 “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)點是它不要求薄膜淀積工藝步驟。AD OP-07是“Zener-Zap”修正運放的一個例子。