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放大器——小器件蕴涵大智慧

——访美国国家半导体亚太区放大器业务经理胡国佳

记者:任卉

美国国家半导体亚太区放大器业务经理 胡国佳(略)


运算放大器广泛应用于各种设计系统,负责信号的接收和发送,根据不同的应用,可以分为低电压低功率、高速、高精度及通用放大器等四大类。这个看似普通微小的器件却对系统性能起着举足轻重的作用,所谓“Garbage in, garbage out”,就表明了放大器在整个系统设计中的重要性。日前,记者采访了美国国家半导体亚太区放大器业务经理胡国佳,希望借此机会可以对放大器产品有一个全面深入的了解。

记者:请谈谈放大器在系统设计中的重要性,以及它对整个系统性能产生的影响。

胡国佳:运算放大器可以置于传感器/信号源与模数转换器之间,将两者连接在一起,负责处理来自接收器信号路径的信号;也可置于数模转换器与模拟输出之间,将两者连接在一起,负责驱动发送器信号路径的信号。

无论是接收还是发送信号,运算放大器主要负责处理模拟信号,以便将模拟信号的重要信息传送至下一环节作进一步处理。换言之,置于输入路径的运算放大器负责为模数转换器提供经过处理的输入信号,而置于输出路径的运算放大器则负责为发送器提供经过数模转换器处理的输出信号。这个处理过程并不简单,因为系统采用的传感器、模数转换器、数模转换器及发送器都各不相同,为它们提供信号的信号源必须在电子特性方面能够满足它们的特殊要求,才可以充分发挥其性能。例如,PH测量仪表的PH电极所发出的信号需要经过高阻抗运算放大器的处理,才可传送至模数转换器,因为一般来说,PH电极的输出阻抗都很高。输入阻抗不足的运算放大器便无法充分利用PH电极的电能,以至模数转换器也无法获得足够的PH电极电能。系统处理模拟信号时如果不得其法,即使所采用的数字处理系统非常先进、强劲,系统的整体性能也会受到严重影响。所谓“接收的是垃圾、输出的也是垃圾(Garbage in, garbage out)”,便是这个意思。

图(略)

因此,以高性能的系统为例,挑选运算放大器时,必须加倍小心谨慎。

记者:放大器产品的封装形式对系统设计有哪些影响?

胡国佳:我们设计放大器系统时,也需要考虑运算放大器的封装形式。事实上,高速产品的耗电量较大,因此高速运算放大器所耗散的热能当然比低速型号多。运算放大器驱动高电流,要彻底解决散热问题非常困难,因此,必须选用散热能力较高的封装。

此外,客户都希望开发便携式电子产品时有更多封装小巧的芯片可供选择,因此,对于低电压低功率的运算放大器来说,封装是否小巧非常重要。设计运算放大器的工程师必须控制管芯的大小,以确保管芯可以嵌入到封装之内。

由于产品的运作功率越来越低,管芯体积也越缩越小,刺激半导体厂商开发更多集成电路方面的专利技术。 记者:不同的放大器应用领域有哪些不同?预计将来哪种放大器会成为市场的主流?

胡国佳:运算放大器分为低电压低功率、高速、高精度及通用放大器等四大类。简单来说,低电压低功率运算放大器主要面向手机与个人数字助理等以电池供电的便携式电子产品市场。高速运算放大器主要面向通信设备、影视产品以及测试与测量仪表等产品市场。高精度运算放大器则主要面向测试与测量仪表、汽车电子系统及工业控制系统产品市场。通用运算放大器应用范围最广泛,几乎任何需要添加简单信号增益或信号调节功能的电子系统都可以采用这类运算放大器。 来自Databean的资料显示,预计在未来五年,低电压低功率、高速以及高精度等三类运算放大器市场份额会稳步增长,每年的复式增长率分别达8%、13% 及11%。通用运算放大器的复式年增长率预计只有5%。

高效系统将会继续需要高效运算放大器(泛指通用以外以的运算放大器)的支持,以便提高系统效能及准确度。这方面的市场需求使得上述三类高效运算放大器的销量能够保持稳步增长的态势。由于系统芯片组、微控制器及特殊应用集成电路(ASIC)通常都采用CMOS工艺技术制造,而高效运算放大器则不能采用这种工艺,否则其性能将会受到影响,因此要将高效运算放大器与系统的CMOS芯片集成在一起非常困难。通用运算放大器的插座则会继续集成在系统芯片组及其它核心芯片之内。在将来,高效运算放大器会更受业界厂商的重视。

记者:针对测试与测量仪表、医疗设备以及通信系统应用的放大器除了具备很好的信号准确性外,还应具备哪些特点?

胡国佳: 不同的系统对运算放大器有不同的技术要求。以通信、高速测量仪表及超声波设备等高速应用来说,交流电方面的表现极为重要。但对于低速高精度系统来说,直流电方面的表现通常则更为重要。衡量系统在交流电方面表现的参数包括信号带宽、失真率、噪音等;而衡量系统在直流电方面表现的参数则有输入补偿电压、耗电量、开环增益、输入偏置电流及共模抑制比等。LMH6550和 LMH6551是两款针对测试与测量仪表、医疗设备以及通信系统的全面差分的高速放大器。这两款放大器芯片采用全面差分电压反馈的电路设计,可以驱动 10 至 14 位的高性能模拟/数字转换器。

随着现代产品精密度要求的提高,系统设计对模拟信号的采集要求也越来越严格。系统从真实世界采集模拟信号时,必须尽量避免失真,采集信号所需的功耗也必须尽量减少。而信号的准确度则主要取决于放大器及模拟/数字转换器的技术精密度。为了保证良好的系统性能,一款好的放大器至关重要。

图(略)

2005GEC.7
         
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