精進運算放大器技術 改良功率速度/面積大小/供應電壓

在新穎技術中，通常會找到許多運算放大器的運用。例如，十年前行動電話手機市場剛剛起飛時，離散式運算放大器在行動電話內的運用極為豐富；在系統的關鍵部分或許多情況下，會需要運算放大器來修復特殊應用整合電路(Application Specific Integrated Circuit, ASIC)的設計缺陷。隨著系統成熟化及高度整合化，相關ASIC的問題減少，運算放大器的使用度也相對逐漸降低，當然，此一數目並未歸零，這是因為製造商總是嘗試以尚未併入ASIC之新穎特性來區分其電話特色。  

運算放大器明顯地扮演一個提供未來技術的角色，這就是驅動業界將效能推向尖端、對一些困難的訊號調節問題提供解決方案的動力。  

三種最重要的趨勢在過往二十年左右形成，即特定功率的速度、面積尺寸及供應電壓的降低。目前尚未看到不同於這三種趨勢的重大偏離方向；然而，從面積觀點而言，當觸及面積縮減時，很可能已達限制。  

處理微小覆蓋面積封裝  

新式的晶片比例封裝僅受限於個人電腦機板接腳間距，而這在量產時會開始碰觸到0.4毫米。在一晶片比例封裝內，具有四組運算放大器仍不具成本競爭性，但是當焊球間距愈來愈小時，卻會獲得愈來愈多的注意。圍繞於運算放大器周圍的增益設定電阻器，現在比起運算放大器本身還要占據更多的機板面積。電阻器整合其他功能性，現為達到較小面積且具彈性成本的下一步驟。除了覆蓋面積之外，還有其他改善封裝技術的方式，減少寄生電容、電感、溢漏電流、熱阻抗、改良的跨線感應與較少的組裝位移等，會是未來在運算放大器封裝處理上的驅動力。  

改良速度 降低耗電量  

運算放大器對於微小訊號而言，其速度是被定義為增益與頻寬乘積(GBW)，對於大型訊號來說則是轉換率。例如，一個2Vp-p的視訊訊號會被視為是大型訊號，而一個20mVp-p的(Slew-Route)麥克風輸出則被視為小型訊號。當1960年代開發出第一個運算放大器時，速度對功率比是在每毫安培時供應電流為0.1MHz左右。今日，每毫安培供應電流遠高於100MHz運行是早已稀鬆平常的事。很多速度上的改良是透過利用較小幾何製程技術、垂直PNP以及矽上絕緣器(SOI)技術。電流回饋架構也提供高速運算放大器在給定電流消耗下的改良頻寬效能。然而，這些效能增益的部分代價是降低最大供應電壓。  

數年來，大家在玩一對一給定頻寬提供最低耗電量的規格遊戲。在這些情況下，偏置電流在輸出處(在此處多數的電流會被運算放大器所耗用)非常缺乏，而運算放大器在沒有振盪的情形下，無法驅動一個10pF的示波器探棒。一個運算放大器應在最低100pF穩定，最好是高於200pF為佳。工程師所要的是能夠簡便運用在其設計內的產品，而不是在低電容負載下振盪、進行錯誤操作。  

降低供應電壓  

有部分市場存在於這些較低供應電壓，因為這些市場可容忍較低的訊號對雜訊比較器，而其餘仍會須要維持該等高供應軌線。為了藉較低供應電壓來維持訊號對雜訊，亦必須降低雜訊底限。未來的技術將須解決1/f雜訊及平帶雜訊兩者。依約2伏特的供應電壓，要獲得一定訊號對雜訊比，實際上是會增加電量而產生較低的邊界條件。在較低電壓下，由於並無多餘空間自串聯級中得到額外增益，因此須多加額外的串級以獲得增益，並且多消耗電力。  

此外，也不能忽略一項事實，即運算放大器是被用來連接到真實世界，作為輸入訊號調節裝置與輸出訊號驅動器。對於一些運作達30伏特以上之供應電壓、具有良好的功率效率性，以及微小覆蓋面積的運算放大器的需求，在未來將會繼續發展，也將會需要製程及封裝技術的進步來解決這些應用問題。  

精準運算放大器將更普及  

精準運算放大器會被驅動，以較低供應電壓及較少功耗而運作，同時可置於微小的覆蓋面積封裝內。將精準運算放大器整合到ASIC內並非易事，且通常不具成本效率，因而賦予此市場一些成長機會。  

然而，很明顯地從來沒有一種「單一尺寸通吃」的運算放大器或是「完美」運算放大器，即使確實存在這種「完美」運算放大器，仍沒有人會花錢購買，因為其價格過於昂貴，並且使用者會感覺到付錢購買了不需要的東西。工程師須要解決的應用問題數量每年都繼續增加，因此化解這些問題的運算放大器數量也會增加。電壓可擴充及模組化技術在提供適時解決方案上扮演關鍵角色。此外，將持續需要先進的設計工具及應用程式支援來解決困難的訊號路徑問題，以滿足日益增高的上市時間需求。  

電子裝置的數量及複雜度正以爆炸性成長，由於這些裝置已屬成熟，故無庸置疑地，將可藉由整合更高層級的運算放大器來達到經濟效益。不過，只要新電子領域須要開發，就會需要無所不在的單獨式運算放大器。  

(本文作者為美國國家半導體放大器產品部副總裁)