说起电子产品，一般人都会想起大屏幕电视、手机、计算机、DVD 播放器、MP3 播放器、数码相机、数码摄像机、个人媒体播放器、便携式计算机设备等。但在日常生活中还有许多其他电子产品，只是不常见而已，诸如新一代无线设备、测试测量设备、自动测试设备、医疗仪器与医学影像设备、工业设备，这些设备需要更高的性能。

数字电子产品及模拟电子产品的发展是推动这种演变的主要动力。市场需要更大动态范围、更低功耗的高性能模拟组件。TI 等公司采用 BiCom3x（第三代全绝缘材料隔离、互补双极工艺）等先进处理技术不仅满足了这一不断增长的市场需求，而且还开发了新一代先进模拟产品。
数字电子产品通过软件和/或固件的控制完成滤波、格式转换及信息处理等复杂操作。数字信号是二进制的，即状态只有两种：“开”或“关”，“真”或 “假”，“0”或“1”，非此即彼。

现 实世界中光线、声音等信号都是连续的，需要进行模拟处理。数模转换器 (DAC)及模数转换器 (ADC) 等模拟芯片是连接模拟功能与数字功能的桥梁。这些模拟芯片可将人类感知器官能够处理的信号转换为二进制脉冲（反之亦然），从而将数字逻辑与现实世界连接起来。没有模拟功能的支持，数字设备的实用价值将大打折扣。

由于数字技术与模拟技术紧密相关，紧跟数字技术的发展步伐，提供配套模拟组件成为模拟组件生产厂商必须面对的巨大难题，即模拟技术必须与数字技术同步前进。

过去，高性能模拟设计要求使用分离电源电压，如 ±15V、±8V 及最 近出现的 ±5 V，目的是充分发挥模拟电路的处理性能。现在，高性能模拟电路的电源正在向 +5 V、+3.3 V甚至更低电压的单电源发展。所需电压降低则电源成本随之降低，且在低功耗应用中可节省电能。但电压降低也会缩小动态范围，不过这对需要降低信号电压摆幅的模拟设计而言则非常有用。

尽管工作电压已经从 ±15V 降至 5V，甚至 3.3 V，但高性能模拟电路的工作电压却很难降到现在数字电路内核电压的水平。这是因为噪声电压并不一定随工作电压起伏，模拟电路必须保持足够高的工作电压，以支持较宽动态范围信号所需的信号摆幅。
衡量动态范围的两个关键指标是信噪比(SNR)和无杂散动态范围(SFDR)。SNR 是信号电平与噪声电平的比值：

SNR=\frac{Signal}{Noise}

SFDR 是信号电平与最高寄生信号电平的比值：

SFDR=\frac{Signal}{Spur}

放大器是所有模拟电路的关键构建块。电源电压降低通常会引起信号电平降低，当噪声及失真保持不变时，SNR 及 SFDR 相应降低。要保持较宽的动态范围，电路工艺及结构在较低电源的情况下必须具备卓越的噪声及失真性能。BiCom3x 具有所需的工艺技术，剩下的就看设计师的水平以及工具是否先进了。

BiCom3x 工艺概述

BiCom3x 是一种用于开发超高精度模拟集成电路的硅-锗(SiGe)处理工艺，即在基区掺杂锗元素的电介质隔离硅处理工艺，在基区掺杂锗元素可极大提高载流子迁移率、加快瞬态时间。该工艺可生产真正的互补双极NPN及 PNP 晶体管(转换频率(f T )可达 26 GHz)。包含互补晶体管的 AB 类放大器级对于高速、高性能模拟电路设计非常关键。

与结隔离相反，电介质隔离最小化了集电极与基板间的电容。这有两点好处：一是减少了高频寄生电流损失，二是降低了电容的非线性成分。所以，BiCom3x 技术与竞争性互补技术相比，在速度、噪声及线性度有很大提高。

高速模拟设计技术的其他优点包括：超低压系数金属-绝缘层-金属(Metal-insulator-metal,MIM) 电容器、优良的电阻器匹配 (0.1％)、很高的晶体管电流增益和初期电压乘积(early voltage product，(βoVA))，使放大器得到更大增益。

该工艺还包括 CMOS 与 FET，可以将复杂的数字功能集成到芯片上，以增强集成度和功能。

运算放大器：结构与设计目标

运算放大器设计师要想了解某种工艺的作用特点，全面掌握架构与设计目标是十分有帮助的。
大多数运算放大器采用相同的基础架构：输入级、高阻抗节点及输出级。输入信号一般是电压，输入级接收输入信号后将其转换为电流(输入是跨导放大器)，该电流信号随后传输到高阻抗节点。电流通过该节点的高阻抗转换为电压(第二级是跨导放大器)。单端放大器输出单端电压信号，差动放大器输出差动电压信号。输出级则缓冲高阻抗节点的电压来驱动输出外部器件。当然，除上述基本方法外还有其他许多不同方式。

设 计目标是在降低误差源、保证稳定性的前提下获得尽可能高的增益。“理想”运算放大器应具有超高输入阻抗、极低输出阻抗的特点。

β×V A

很多设计人员将晶体管电流增益 (β) 与初期电压 (V A ) 的乘积作为双极晶体管的主要指标之一。
输入级的 β晶体管值越高则输入偏置电流越小，输入阻抗越高，输入级增益也会越高，从而使放大器整体增益提高。

输出级的β值越高，则输出级对高阻抗节点的负载越低，从而使放大器增益提高。
初期电压体现了晶体管集电极阻抗的大小，高阻抗节点的阻抗与晶体管初期电压直接相关。V A 越高＝阻抗越高＝放大器增益越高。

β× V A 值越高则运算放大器性能越高，原因是其环路增益的提高降低了放大器误差(即更低失真及输入偏移)。

B iCom3x与类似工艺相比具有很高的 β×V A 乘积，NPN晶体管为 50000，PNP 晶体管为 20000。

电介质隔离

制造过程中，晶体管周围形成硅氧化层（玻璃）隔离沟槽以隔离周围结构。结隔离工艺使用反向偏置 PN 结隔离晶体管。

电介质隔离有两个优点：

1.降低了与其他器件及基板的杂散电容。

2.具有很低线性电压系数的杂散电容。

晶体管的速度由多种因素决定，杂散电容是其中一个重要因素。随着频率升高消耗电流减少，晶体管在更高频率下的性能表现也更好。

电压变化引起的电容变化将会导致非线性现象，从而引起谐波及互调失真。

线性金属-绝缘层-金属电容

在高阻抗节点上增加电容的目的是主导极点补偿。所增加电容的电压系数越低则产生失真越小。这在高阻抗节点非常重要，通常运算放大器中的最高电压均在此产生。

BiCom3x MIM 电容器的典型电压系数非常低，仅为?6ppm/V，可以与目前可用的最好无源组件相媲美。

优秀的电阻器匹配 (0.1%)

电 阻器匹配对于设定增益 、匹配电流源以及降低输入失调电压至关重要。BiCom3x工艺在无需微调时的固有匹配度为0.1％。其温度系数也低于市场上现有 的电阻 ，其中薄膜电阻器为25ppm /℃(lin)，多晶硅电阻为?6 ppm/℃ (lin)。

T HS4302 及 THS4303 的匹配性能就很好，这些固定增益放大器(分别 为5 V/V及10V/V)的绝对增益精确度为 0.1％(温度范围：?40 ℃～ +85 ℃)。

THS4520 全差动运算放大器

T HS4520 是首批采用 BiCom3x 工艺制造的宽频带、电压反馈、单位增益稳定、全差动运算放大器，具有轨至轨输出 (RRO) 架构，其优点包括：电源摆幅非常小，失真和噪声很低，压摆率很高，带宽较宽等，适于驱动高分辨率 ADC。

最 高性能 ADC 采用差动输入来最大化动态性能，用 THS4520 来驱动它们是很好的选择。从本质上看，THS4520 是一种运算放大器，可以 实现运算放大器的所有功能，如电平转换、有源滤波、脉冲成形等。作为全差动运算放大器，该器件能够轻松将单端信号转换为差动信号，将共模电压转换为与高性能 ADC 匹配的电压。由于具有轨至轨输出，所以能够在更低的电源电压下正常工作。

ADC 性能不断提高，驱动 ADC 的放大器性能也需要随之提高。许多应用主要考虑 SNR 及 SFDR 两个指标。

为了举例说明 THS4520 的 ADC 驱动能力，下面我们将其 SNR、SFDR 性能与ADS8482进行比较。

A DS8482 是一款 18位、1 MSPS ADC，其内部参考电压为 4.096 V，采用全差动输出。该器件属于 18位、基于电容的逐次逼近寄存器 (SAR) 类型的转换器，具有内部取样和保持功能。要实现器件的全 SNR，驱动信号必须采用差动 8 Vpp，单端 5 V 电源供电的运算放大器很难达到这个要求。

图 1及图2分别对将THS4520 与ADS8482 的SNR 和 SFDR 性能参数进行了比较(以频率作为横坐标)。由此，可以看出THS4520更具吸引力。请注意，THS4520 的 SNR 是根据所列频 率信号带宽计算得出的(如横坐标为10kHz，则 假定信号带宽为 10kHz ，然后计算出 SNR 值)。使用单端 5V 电源的 THS4520 与 ADS8482 放大器应用如图3所示。

图1 THS4520与ADS8482的SNR性能比较（略）

图2 THS4520与ADS8482的SFDR性能比较（略）

图3 THS4520与ADS8482应用电路示意图（略）


结论

当今高性能模拟电路低电压、单端电源的发展趋势，对相关技术和设计提出了很高要求。以 BiCom3x 为代表的新工艺成就了新一代低电压电源应用。