新兴应用和工艺进步推动工业运算放大器市场

2011-02-25 09:19:37来源: 国际电子商情 关键字:新兴  应用  工艺  进步
     作为电路设计中最基本的器件,运算放大器可以构造信号放大、信号传输、信号滤波等各种功能的电路,广泛应用于通信、PC、消费、汽车和工业等领域中。和日新月异的消费应用相比,由于工业应用中性能、稳定和可靠性压倒一切,工业运算放大器技术和市场平稳得沉闷。不过,手持仪表和便携医疗设备等新兴工业应用,已促使低电压、单电源等消费应用技术趋势进入工业领域。即使在最为传统的±15V工业市场,TI、ADI、国半和凌力尔特等领先供应商也纷纷发布了新一代垂直工艺,将低功耗和小体积等特性引入了高压放大器。

通信产品对放大器需求增长迅速,而工业应用则相对平缓。
通信产品对放大器需求增长迅速,而工业应用则相对平缓。

      市场调研公司Databeans的数据显示,2006年全球放大器市场增长15%,达24亿美元,预计未来几年将保持8%的年复合增长率,到2011年达35亿美元,出货量达160亿个。消费类应用是主要推动力。TI负责高精度信号调节的全球市场营销经理Joseph Stoupa表示:“便携式音视频设备市场方兴未艾,不断推动新产品开发,包括数码相机、拍照手机、便携视频以及PMP等。”

Stoupa:和消费应用类似,工业放大器也向低电压、单电源发展。

和消费应用相比,工业应用中热点不太突出而显得比较分散,但工业放大器市场也在全球各地区保持稳步增长态势。TI的Stoupa表示,2006年工业放大器市场表现强于2005年,传统工业应用(如ATE、测试测量、过程控制及马达控制等)以及新兴市场的共同发展为该市场的快速成长注入了强劲的推动力。Databeans的数据显示,今后5年间工业市场需求将保持8%到10%的年复合增长率。

龚铭潭:VIP50工艺可以生产最先进的低电压及高精度放大器。

美国国家半导体亚太区高速放大器及显示器产品市场经理龚铭潭表示:“许多不同的工业应用均对放大器有很大的需求,适用于测试及测量设备、汽车电子系统、医疗设备(例如成像和监控系统)以及通信设备等方面的放大器都具有极大发展潜力。”凌力尔特公司(Linear)信号调节产品营销经理Brian Black也认为,增长将来自多种应用而不是一两个特定市场的推动。汽车中电子产品的增多、手持式仪表和便携式医疗电子对更高性能和更多功能的需求以及工业应用的增加都将是形成这一增长趋势的主要原因。

新一代工艺推动高压工业放大器开发

      和消费类放大器日新月异相比,工业放大器变化缓慢。TI高精度模拟产品亚洲区业务拓展经理官世明介绍说,究其原因,一是工业应用生命周期长,对性能、稳定和可靠性要求高,客户考虑很严谨,不会轻易更换放大器;二是工业放大器通常采用模式工艺,而模拟工艺非常稳定,常常几年甚至几十年没有变化。官世明表示:“与数字芯片更注重设计不同,生产工艺和设计一样,是模拟厂商核心竞争力的一部分,不同厂商都有自己的独特工艺。”

     目前放大器的主要制造工艺有CMOS工艺和双极工艺(Bipolar/BiCMOS),CMOS和BiCMOS用得最多。CMOS工艺是绝对的主流,因为它功耗和成本低,可以利用代工厂,适合消费类应用;而互补双极性工艺(BiCMOS)运放的特点是高电压、高速和高精度,常常用于±15V工业市场。圣邦微电子总裁张世龙介绍说:“双极性工艺制造的放大器精度高,噪声低,但是输入电阻较小,功耗大,并且轨至轨输入和输出没有CMOS工艺好。CMOS工艺制造的运放省电,功耗低,轨至轨输入和输出特性好,输入阻抗高,但CMOS工艺运放带宽常常没有双极性宽。CMOS工艺常用于电压反馈放大器,双极性工艺常用电流反馈运放设计。”

    由于Bipolar/BiCMOS是一种平面工艺,缺点是放大器功耗和体积很大,难以满足系统需求。经过多年的努力后,近两年来,TI、ADI和国半等领先模拟厂商纷纷推出了新一代垂直工艺,旨在降低功耗、体积和系统成本。例如,ADI在2004年末发布了iCMOS(工业CMOS)工艺,将高电压工艺与亚微米CMOS和互补双极型工艺相结合。与传统CMOS工艺不同,iCMOS工艺制造的模拟IC(包括放大器)能承受高达30V电源电压,同时能提供突破的性能水平,降低系统设计成本,而且降低85%的功耗和减小30%的封装尺寸。而国半也在2005年下半年专门为供电电压介于0.9V至12V之间的运放开发了VIP50工艺,它是一种采用绝缘硅(SOI)的BiCMOS工艺,可以大幅提高放大器精确度及电源使用效率。国半的龚铭潭表示:“因为拥有VIP50工艺,我们可为市场提供最先进的低电压及高精度放大器。这种专有工艺也极适用于生产低噪声及高速放大器。”

    在2006年末,TI也发布了基于其新型36V互补双极硅锗工艺(BiCom3HV)的首批高精度放大器——OPA211与OPA827,作为其采用BiCMOS工艺OPA277与OPA627的新一代版本。与业界同类36V放大器相比,两款放大器实现了超低噪声、低功耗(降低30~50%)、小封装尺寸(缩小70%)以及高带宽等多种特性的结合,适用于测试测量、仪表、影像、医疗、音频与过程控制等应用。Stoupa表示:“引入绝缘硅技术缩小了晶体管尺寸。通过尽可能缩小NPN晶体管,TI晶体管尺寸仅为采用最先进工艺的同类产品的1/11。”

    OPA211是一款双极输入运放,仅需3.6mA电源电流即可实现1.1nV/rtHz电压噪声与80MHz增益带宽。它可提供100μV失调电压、0.2μV/degC失调电压漂移以及不足1μs的建立时间,支持轨至轨输出振幅。OPA211的工作电源电压范围为±2.25V至±18V,采用8引脚MSOP或DFN封装。3mm×3mm DFN封装面积仅为标准8引脚SO封装的1/3,没有同类产品可达到。官世明强调说:“OPA211速度达80MHz,而静态电流只有3.6mA,为业界最低。轨至轨输出,没有其它高压产品可以做到,为业界独创。”

   官世明指出:“工业PCB板比较大,对面积节省要求不如手持设备那么高,但减少面积,可以改善总体系统性能,如EMC。所以总体来说,减少面积还是很意义。”他还表示,从长远来看,BiCom3HV这类高压工艺可以借鉴CMOS工艺的一些做法,实现高压和CMOS工艺更完美结合,朝向“理想放大器”发展,但近期实现起来比较难。

便携工业应用向低电压、单电源发展

     除了传统的±15V工业市场继续稳定增长外,在手持仪表和便携医疗设备等新兴工业应用的推动下,工业运放的另一个发展趋势是低电压、单电源,而这种趋势在消费类应用中已十分常见。在低压单电源应用领域,TI于06年推出了OPA333与OPA365。OPA333集DC精度(10μV)、低功耗(17μA,仅为最接近竞争对手的1/10)、低噪声(1.2μVpp)以及小型封装(SC70)等众多优异特性于一身,特别适合便携医疗与仪表应用。OPA365采用创新的零交越、单输入级架构,以超低失真(0.0006%THD+N)实现了无干扰的轨至轨性能。该器件具备低噪声(4.5nV/rtHz)与高速度(50MHz增益带宽),非常适合多种设计中的单电源应用,其中包括便携仪表、数据采集、音频、便携医疗以及测试测量系统等。而这两款器件优异的性能,来自于TI于03年推出的高精度模拟CMOS工艺HPA07。Stoupa指出:“新型HPA07低噪声3.3V与5V CMOS工艺与高精度工业产品设计经验实现了紧密结合,将低电压与工业高精度技术统一在一起,为TI推出众多令人激动的新产品铺平了道路。1.8V OPA333与2.2V OPA365专为工业大众市场而设计,能够以低电压实现超高性能。”

     针对便携工业应用,凌力尔特公司有3个超低功率运放系列,其中,LT1494/5/6精确度最高,LT6000/1/2带宽较宽,而LT6003/4/5功率最低。这3个系列的器件占板面积微小,可实现精确的低压工作。LT6003系列电源电流低于1uA,供电电压1.6V至16V,最大输入失调电压为500μV,而最大漂移为5μV/oC,是最精确的低压超低功率运算放大器。LT6003采用2mm×2mm DFN封装,其占板面积是这个系列中最小的,输入和输出都可轨至轨工作,非常适合电池供电的手持式仪表。LT6000系列具有较高的工作带宽,同时仅消耗16uA电流,并实现了卓越的精确度。LT1494系列器件在输入电压失调为375μV时具有最高的精确度,并且仅电源电流仅为1.5μA。Black表示:“很多轨至轨运放都面临一个难题,输出接近两个轨时,电源电流可能上升高达3倍,而这种情况会在启动时发生。如果设计师不考虑这种常未明确规定的情况,那么很多微功率放大器需要的电流就可能超过电源所能提供的电流,从而妨碍成功的上电时序。LT6000和LT6003系列采用了特殊的设计技术,以在实现真正微功率工作的整个工作范围内良好地运作。”

为不同的工业应用选择合适的运放

Black:多种应用推动工业放大器市场。

和其它模拟器件一样,放大器也是典型的目录型产品,不同应用有不同的性能要求和选择标准。凌力尔特公司的Black表示,就工业应用而言,通常关心的参数包括电压失调、偏压漂移、偏置电流、CMRR、输入和输出电压范围、电源电压和电流、噪声、带宽以及转换率。而国半的龚铭潭则指出:“一般来说,测试与测量设备以及成像系统对噪声及失真率都有较为严格的要求。部分制成品甚至肩负维系生命的重任,因此这类产品所采用的信号路径芯片必须符合最严格的要求。”

而圣邦微电子的张世龙则列出了通常选择运放的12个步骤和参数:1.运放供电电压大小和方式选择;2.运放封装选择;3.运放反馈方式,即是VFA(电压反馈运放)还是CFA(电流反馈运放);4.运放带宽;5.压摆率大小,这决定全功率信号带宽;6.Offset电压和Offset电流选择;7. Offset电压随温度的漂移大小,即ΔVoffset/ΔT大小;8.运放输入阻抗选择;9.运放输出驱动能力大小选择;10.运放静态功耗,即ICC电流大小选择;11.运放噪声选择;12.运放驱动负载稳定时间。作为中国新兴的高性能模拟厂商,圣邦微电子在过去的两年时间里推出了11个系列的运放,但目前主要针对便携式和电池驱动设备等消费市场,这些运放的供电电压为2.1V~5.5V。

作者:潘九堂

关键字:新兴  应用  工艺  进步

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