放大器市场与应用发展趋势

德州仪器半导体事业部业务拓展工程师

王胜
　

    从模拟及混合信号芯片，尤其是放大器类产品发展趋势来看，高集成度、兼顾速度与精度、低功耗、较宽的温度范围，以及软件可控等性能，将是未来各个模拟器件供应商的新产品呈现的新特点。对于某些中、低端电子产品的成本压力，使得本土的中小规模IC供应商获得了良好的发展机会，打破欧美供应商一统天下的局面，这也将是包括放大器在内的模拟类产品的一大特点。

　　放大器产品的发展主要特点如下：(1)新工艺、新技术的发展；(2)放大器类产品在电子系统中的作用越来越重要，不可替代，高精度的放大调条理电路很难集成在处理芯片中；(3)“定制化”需求是放大器的种类不断增加的主要推动力之一。

　　工艺方面， BiCom3是TI针对高速度模拟产品而开创的工艺，其高电压版本BiCom3HV为36V Bipolar SiGe工艺，兼顾速度的同时也可实现高电压的应用；HPA07工艺主要应用于高精度模拟类产品，应用这一工艺的器件具有高精度，小封装，高SNR等特点，相似的HPA07HV可兼容36V应用；除了以上具有代表性的工艺外，TI还有LBC工艺，主要特点是高电压大功率；A035工艺主要应用是高密度器件。

　　高精度运算放大器一般是指失调电压低于1mV的运放。TI近期推出了一款高精度的运放OPA211，是以BiCom3HV为主要工艺开发的产品。

　　在高速放大器方面， TI能够应用新的工艺提供针对不同应用的各类产品，除了可以提供各类电压反馈型和电流反馈型高速放大器类产品以外，还可以提供高速的JFET输入高速放大器类产品，其中包括多种可供选择型号，如OPA656，OPA657及THS4631等，他们都具有不同的带宽和压摆率，不同的稳定增益范围，包括独立增益稳定等主要可供选择的指标，可广泛应用于测试与计量等宽带宽高输入阻抗的应用场合。

　　在高速视频放大器方面，TI推出了一系列具有灵活可编程及高集成度的放大器类产品，例如针对视频应用的THS73xx系列产品，针对不同的视频标准要求，其集成了低通滤波器，部分产品具有内部固定增益放大，滤波器带宽数字可编程选择，以及输入耦合方式选择等性能。

　　随着能源的日益紧张，对于能源效率方面的要求也逐步提高，尤其是对于电池供电系统，功耗的要求更为苛刻，所以未来对于效率最高的D类功率放大器的应用需求也会逐步增加。但是D类功率放大器并不会完全取代线性放大器，在高端专业音响中，由于线性放大器的高保真度特点，顶级音响领域还将采用线性放大器产品。但对于需求量很大的中低端市场而言，D类功率放大器的市场前景非常乐观。

　　工程师在选择放大器类IC时，首先要全局考虑整个系统的性能要求，并充分考虑所要调理或接收的信号特点，同时还要兼顾系统工作的环境等因素，尤其是对于工业应用，这点尤为重要。此外，还应该考虑以下几点：

　　1.无论高精度或高速放大器，供电电源一定要有旁路电容，并尽可能把旁路电容靠近放大器的电源引脚放置；

　　2.某些放大器具有最小稳定增益要求，如果所使用的增益低于推荐的最小稳定增益，就有可能产生振荡。电流反馈放大器，在直接反馈环路中，不要使用电容或其它非线性元件，尤其对于高速放大器设计时，这一点尤为重要；

　　3.在高速应用中，除了带宽，压摆率是另外一个重要指标，高摆幅输出的信号频率与SR的关系为： F = Slew Rate / (0.707 p VoutPP)，设计时要充分考虑这一因素；

　　4. 为减小输入偏置电流引起的失调电压，设计人员应保持运算放大器同相输入端和反相输入端的阻抗匹配；

　　5.噪声因素，需要考虑的噪声来源包括：输入电流噪声，输入电压噪声，和由增益设置引起的热噪声等。尤其对于单电源应用时，一般电压很低，为保持系统的信噪比，低电压使设计人员必须降低噪声。放大器的设计考虑由很多因素决定，工程师需要根据不同的设计要求，选择合适的放大器类产品。同时，放大器供应商的技术服务与支持可以使工程设计人员达到事半功倍的结果。

凌力尔特公司产品市场经理

Brain Black

凌力尔特公司产品市场经理

    凌力尔特公司专注于提供具有高精确度、低噪声和高速度性能的放大器产品。这些器件主要分为 3 类：传统的高性能放大器产品 (包括运算放大器、仪表放大器和可编程增益放大器)；高速 ADC 驱动器；专用精确高压侧电流检测放大器。尽管运算放大器已经出现几十年了，使用也相对简单，但是很多令人振奋的新进展仍在不断出现，从而产生了多种富有吸引力的新产品。这些新产品很多将以改进基本功能的形式出现，如提高运算放大器的速度、精确度、噪声和功率性能等，但是更多将以提高集成度的形式出现。凌力尔特公司的LTC6420-20 双路差分 ADC 驱动器和 LTC6102HV 零漂移高压侧电流检测放大器就是好例子。

　　LTC6420-20 是一种双路高速全差分 ADC 驱动器，具有很好的匹配性能规格。这使其在 I-Q 解调和多通道通信应用中尤其有用。在这些应用中，驱动高速 ADC 的传统方法是使用高压、大电流消耗的 RF 放大器。既然这些 RF 放大器是单端组件，那么就需要附加电路将信号转换成最高性能 ADC 所需的差分信号。LTC6420-20 与这种传统方法相比有几个优点。首先，它的功率极低，在很多情况下，可以与 ADC 共享同一个低压电源。其次，它使用较少的组件，占用电路板空间较少。除了将两个通道集成到一个小型 3mm×4mm 封装中，LTC6420-20 还含有增益设置电阻和可选输出滤波。通过在芯片上纳入灵敏的反馈网络，设计师无需花费大量时间考虑杂散电容可能引起的不稳定性，该电容与 PCB 上增益设置电阻的布线有关。在 100MHz 时具有 0.1dB 增益匹配和 0.1o相位匹配，这种通道至通道匹配消除了需要匹配两个独立通道的难题。

　　LTC6102HV 零漂移高压侧电流检测放大器能帮助设计师提高系统性能、降低功耗并让产品快速上市。作为实现了零漂移前端的高压侧电流检测放大器，LTC6102 比其它高压侧电流检测放大器的精确度高。它用100V 的共模电压工作，最大输入失调电压为 10mV，最大漂移为 50nV/℃，最大输入偏置电流为 3nA。LTC6102 具有 2V 全差分检测电压，106dB 动态范围，能够从安培级电流中分辨出mA 级变化。与其它电流检测放大器相比，LTC6102 的低失调可用来极大地减小检测电阻值，同时保持分辨率不变。较小的检测电阻意味着可给负载提供更多功率、检测电阻、浪费更少功率、以及产生更低的热量。

　　视特定设计目标的不同，工程师们面临着很多难题，其中常常包括同时要求提高性能、降低功耗和让产品快速上市。就每个应用甚至每个设计而言，设计师面临的挑战都不同。例如，就基于传感器的应用而言，设计师常常需要放大和缓冲传感器产生的信号。既然很多传感器都有高阻抗，设计师就必须选择偏置电流非常低的放大器，如 LTC6087。除了低偏置电流，放大器还应该具有低输入失调电压和噪声，以最大限度扩大动态范围，提高灵敏度。传感器应用常常是由电池供电，因此还必须注意电源电压和电流要求。凌力尔特公司可为工程师提供多种帮助，如应用工程师支持、完全规定的数据表、免费 LTSpice 建模软件和器件模型、详细的应用和设计要点、电路结集等。

美国国家半导体亚太区放大器产品市场经理

龚铭潭
美国国家半导体亚太区放大器产品市场经理

    如今，世界各地的环保意识日渐高涨，有助于节能的产品渐受市场欢迎。照目前的发展趋势看，无论是哪一个国家/地区、哪一个市场/板块，高能效产品都会大受客户欢迎。美国国家半导体的PowerWise解决方案适用于能源效率要求极高的系统设计，性能/功率比高。例如，型号为LMV851的运算放大器内置射频抑制电路，因此抗电磁干扰的能力高，以8MHz的单位增益带宽操作时，只耗用0.41mA的电流。

　　从技术的角度看，采用传感器的电子设备必须加设信号调整功能，这是市场的最新发展趋势，这种新技术已广泛应用于家庭医疗设备、保安系统及适用于各行各业的电子设备。为了实现传感器的模拟前端电路或高速的应用，美国国家半导体推出一系列符合不同技术要求而且适用于不同市场板块的运算放大器产品。传感器的应用非常广泛，部分传感器的电阻值极高，有些甚至高达数万欧姆，但也有部分低至只有几百欧姆，选用正确的电阻值具有关键的作用。以LMP2015这类CMOS输入运算放大器为例来说，这种零漂移运算放大器可以连接极灵敏的传感器或输入电阻高达数万欧姆的应用。部分应用的工作频率极低，因此采用的运算放大器必须在低频操作时仍能保持极高的信噪比。系统设计工程师选用运算放大器时，必须考虑芯片是否具有极高的准确度及噪声抑制能力。

SiGe半导体市场推广副总裁

    SiGe 半导体市场推广副总裁

                                        Alistair Manley

                                    SiGe 半导体市场推广副总裁

    现今的市场要求功率放大器能够为各种各样的计算、娱乐及移动系统实现无线多媒应用。在功率放大器的若干发展趋势中，最显著的包括：减少系统材料清单、功耗和电路板空间；提供出色的信号处理技术、更好的功能性集成度、更高的线性度和更高的效率，以及更快的产品上市速度；保持低静态电流和后向兼容性；以更低的输出功率在更长的距离上提供更高的数据传输速率；支持更大的带宽，但却不影响电池寿命；提供真正的数字CMOS控制，简便的软件校正，从而简化电路板设计和基带控制器接口等。

　　SiGe半导体最近推出的SE2587L功率放大器，是基于SiGe半导体经验证的高性能架构，在+19dBm (802.11g 模式)和 +24dBm (802.11b模式) 发射功率级下，能够提供高线性度。这种高线性度可在更大的覆盖距离内提供更高数据率的传输能力，使系统能够支持新兴的无线多媒体应用，例如视频分配、视频流及高速数据。SE2587L采用3x3 QFN封装，是SiGe半导体最小的分立式功率放大器。该器件的引脚顺序与 SiGe 半导体广获采用的 SE2527L、SE2528L 及 SE2581L 兼容，电路板布局所需的改变能够减至最少，使得制造商能够轻易移植到用于下一代设计的新器件中。可以节省大约 20% 的外部材料清单成本。

　　功率放大器是无线系统的核心，其性能对于传输距离、电池寿命以及用户体验对有重大影响。选择PA 时，工程师应该考虑的因素包括：

　　线性度— 功率放大器的功能是放大RF信号，但不能引入失真，以免导致数据损失。被放大信号的完整性 (即线性度) 的测量基准是误差向量幅度 (Error Vector Magnitude, EVM)，即误差幅度与最终被放大信号幅度之比值。

　　效率—在 PA中，效率就是平均射频 (RF) 功率输出与平均直流电 (DC) 功率输入之比。对802.11n而言，由于MIMO结构中采用了多个无线电和天线，所以效率是尤其重要的。

　　尺寸—802.11n 的PA 尤其面对着严格的尺寸限制。一般来说，4个功放 (两个用于2.4GHz PA；两个用于5GHz) 占用的空间与以往非 MIMO、双频带结构中的两个 PA 占用的相等。最好的方法是把 PA 封装在一个高集成度的模块中。

　　供电电压 － 功率放大器在尽可能大的电压下工作是最理想的，因此移动和便携式应用设备一般让电池直接为PA供电，而不通过任何额外的调节。这意味着PA的供电电压范围有可能从 2.3V (快耗尽的电池) 到5.5V (充电中的电池)。工作在这种环境下的 PA 一般利用额外的电路和/或新颖的器件技术来确保稳健度和可预测性能 (笔记本电脑中的 PA 通常可连接已经调节的3.3V电源，使设计更简单直接。)

　　与其它无线技术的共存—在802.11n 加速发展的同时，802.16(WiMAX)标准也在不断前进。要确保PA能够处理与WiMAX系统之间的共存和移植问题，必需确定供应商能够同时支持这两种标准。一般而言，较之WLAN、WiMAX需要更高的输出功率和更好的功率控制功能。要注意的是，WiMAX的初级频带范围为2.5~2.7GHz，非常接近802.11n的2.4~2.5GHz频带，故同一个PA同时用于 802.11和802.16工作是相当可行的，这有助于降低成本和减小尺寸。

　　802.11n PA 的另一个问题是与蜂窝系统的共存。例如，如果手机同时带有一个Wi-Fi无线电和一个蜂窝无线电，则一个发射器产生的带外辐射可能落在另一个无线电的接收通带上，这就会导致性能下降 (灵敏度下降，造成掉话)。解决这一问题的蛮力方法 (brute force method) 是在PA后加一个滤波器来限制辐射。可惜这种方法会导致功率大幅增加，因为这些滤波器一般都有 2dB 的插损 (insertion loss)，所以有37% 的发射功率会浪费在滤波器中。在此情况下，必需寻找一种能够利用其它方法来解决这些共存问题的PA。

　　鉴于 Wi-Fi 广受欢迎，因此有预测指出，最早到2013年，具有 Wi-Fi 功能的产品的数量就可能达到蜂窝产品年销售量的水平了。Wi-Fi 的普及性已开始造成某些公共无线局域网的容量负担过大，这迫使业界重新考虑它的传统实现方案。当前无线集线器的设计是为了利用 802.11n 等技术来提高单频带双频带架构的容量，以及利用并行双频带，让网络能够同时以2GHz 和 5GHz 工作。所有这些技术都需要 PA 来产生更清洁的信号，以免干扰邻近网络。清洁包括谐波及其它杂讯在内的干扰信号，并尽可能减少泄漏到邻近信道的噪声，这对于提高网络的客户处理能力十分关键。此外，提高 PA 的输出功率，扩大热点覆盖范围，也是未来PA设计的一大趋势。但实现这种更高功率并非易事，因为当主要信号的功率增加时，PA需要避免的干扰信号的功率级也会随之增加。