集成运算放大器:制造工艺对其性能影响

国营七七七总厂半导体厂高级工程师　 刘邦彦

　　运算放大器的结构形式主要有三种：模块、混合电路和单片集成电路。对于设计工程师来说，不仅是要知道所用产品的型号，而且还应熟悉生产这些产品的工艺，从而能够从一类放大器中选出一种放大器做特定的应用。表1 给出了各种运算放大器结构的性能情况。

　　 模块

　　 目前使用几种工艺生产运算放大器，性能最高的放大器是以模块的形式由分立元件构成的。因为使用分立元件，所以可选用像高压输出晶体管、超低电流的FET管以及阻值很高的电阻等等这类专门制作的元件。在模块的设计中，在电气测试时（密封之前）通过对直流参数（比如失调电压）或交流参数（比如建立时间）进行细调的方法来选择电阻和电容是可能的。

　　 模块工艺的缺点是实际的尺寸较大和价格高。由于每个模块都是单独构成的，大量加工制造是不现实的，并且制造成本相对地也是很高的，但是对于那些对性能有极高级别要求的特殊应用来说，由于模块运算放大器的规范由生产厂来保证，所以它们还是有吸引力的。模块运算放大器包括斩波稳定放大器、可变电抗静电计放大器和宽带高速放大器。

　　 斩波稳定放大器

　　 当需要放大（或缩小）电平极低的电压信号时，要使用斩波放大器。斩波放大器的内部是交流耦合的--有效的差动输入信号被斩波成方波，这个方波被解调和放大。交流耦合消除了许多与运放有关的误差，因此失调和漂移极低。斩波放大器的主要性能指标:
低失调电压　　10　A
低失调漂移　　0.1　V/℃
长期稳定性　　1　V/年
高开环增益　　107V/V
低温升漂移　　3　V
静电计放大器

　　 当需要尽可能高的输入阻抗和最低的偏置电流时，要使用静电计放大器。静电计放大器内部也是交流耦合的，输入信号被加到包括低漏流的变容二极管（电压可变电容）的电桥上，该电桥由高频载波信号所激励。输入电压引起电桥的不平衡，合成的交流误差信号被交流耦合到下一级，在那里被同步解调和放大。使用低漏流可变电容产生的输入电流低至10fA（1fA=10-15A），获得这样的低电流是以较高的失调电压为代价的。

　　 高速放大器

　　 用模块的形式可以很容易地构成高速放大器，集成电路结构的许多限制在这里不适用。例如，集成电路放大器由生产厂制作工艺造成的晶体管缺陷而引起的速度限制就不存在，模块的设计就可以使用具有所要求频响的经挑选的晶体管，由于许多宽带放大器被用在驱动75　负载的视频领域，所以必须提供大的输出电流。

　　 对于这样输出特性所要求的功率，靠模快的较大热媒质来耗散要容易得多。超高速放大器性能如下：
快的建立时间　　100ns(到0.01%)
转换速率　　　　1000V/　s
全功率带宽　　　10MHz
输出电流　　　　10mA
混合放大器

　　 很多与模块结构同样的好处也适用于混合放大器，和模块的情形一样，可以把单一封装里用不同的（以及不相容的）工艺制作的元件组合起来，混合结构超过模块结构的优点是有较小的尺寸和较低的成本。通常把混合工艺应用于运算放大器是为了改善偏置电流、输出驱动能力或有超过单片或分立设计器件的带宽。
混合FET输入运算放大器：
低偏置电流 达75fA
低失调电压 达0.25mV
低漂移 达3　V/℃
适中的成本 5~10美元的范围内

　　 直至最近，多数由精密匹配的FET差动放大器组成的FET输入放大器被单片运算放大器所取代，尽管现在能够用双极兼容工艺制造结型场效应管，但最高精度的JFET输入运放仍旧用混合工艺技术制成。尽管能够购买一对分立的低漏流的FET管，并把741运放接在这一级的后面，但通常由混合单元可以获得更好的性能。例如，混合电路的规范由生产厂来保证并测试，任何需要的调整一般也由生产厂来完成，当然，一块封装好的混合放大器不比741占据更多的空间，而性能上却呈现数量级的增长。

　　 宽带混合放大器
●可以在较小的封装里进行成对的模块设计在芯片形式上使用分立晶体管
●适用于视频应用

　　 混合工艺也允许放大器由一批分立的高频晶体管构成，实际上，在采用与模块一样元件的混合形式中，使模块放大器电路成对也是可能的，但要采用未封装的芯片的形式。模拟器件公司的计算机实验室生产了各种各样的适合于视频应用的宽带混合放大器。

　　单片集成运算放大器

　　使用最广的运放是单片集成电路型，各种各样的集成电路运放是由许多不同的卖主处得到的，这些年来，设计和工艺方面的改善促使很高性能运放的形成，由于供特定应用所要求的运放规范常常支配选择最好的运放工艺，所以对于运放的用户来讲，至少要了解在集成电路运放制作中所采用的各种工艺，是很有用的。各种工艺的比较列于表２。

　　 一、标准的双极工艺

　　 在大多数运放中使用的是标准结隔离的双极工艺，生产三种基本晶体管：高质量的纵向NPN晶体管、高质量的纵向PNP管和质量稍差的横向PNP晶体管。由于纵向PNP管的集电极常常要接到负电源上，所以限制了它的实用性，这样，在放大器电路的其它地方能被采用的两种晶体管就是纵向NPN和横向PNP。横向PNP管的性能指标较低（　和fT 低），它基本上是用在偏置电路中，所以，在尽可能多的有效信号通道中使用的就是NPN管。采用标准双极晶体管的放大器，其基流一般在100nA到1　A的范围内，有相当低的失调电压和漂移，以及低电压噪声。这类放大器的实例有741和301等。

　　 二、超　工艺

　　 超　工艺是标准的双极性工艺的一种补充。利用一个附加的扩散步骤，就可以生产　值为几千的NPN晶体管，输入偏置电流降低约一个数量级，达到10nA或更低。输入级增大的增益降低了输入偏置电流，并改善了共模抑制能力，这是精密放大器的两个重要规范。超　运放的典型开环增益为几兆，共模抑制比超过100dB，输入失调电压特性类似于或超过标准的双极型运放。超　放大器的例子有308、AD510和AD517等。

　　 三、介质隔离双极型

　　 在常规的双极性和超　集成电路中，各个晶体管是利用反相偏置的p-n结彼此隔离的，限制横向PNP晶体管（并且归根结底限制放大器）的带宽的是这些寄生电容。介质隔离（DI）工艺利用薄氧化层来提供晶体管之间的隔离，于是使得制造高速PNP晶体管进而生产高速放大器成为可能。

　　 然而DI工艺不是没有其局限性的，氧化层很容易被静电放电击穿，结果导致器件的损坏。另一个缺点是DI电路比p-n结隔离的等效电路需要更大的几何面积，结果要求稍大一点的芯片尺寸。

　　 四、BIFET工艺

　　 BIFET工艺使用离子注入，在同时包含标准的双极型器件的芯片上，制作高击穿电压的结型场效应晶体管（JFET），可以把这样一对JFET管用作运放的输入器件，通常是以牺牲失调电压、漂移、CMR和噪声指标来获得其它一些性能。较新的设计为工厂修正BIFET运放的失调电压和漂移提供了可能。一些精密的BIFET型放大器的实例有AD542、AD544、AD547和双运放AD642、AD644、AD647。

　　 五、BI-MOS工艺

　　 由于JFET能被用作高阻抗的输入级，人们可能很想考虑把MOSFET管用于同一目的，某些厂商开发出能使MOSFET包含在双极型集成电路上的生产工艺。理想状态MOSFET管仅有氧化物漏流而没有JFET中的结漏流。这一漏流低得多，可能使输入偏置电流降低，然而，MOSFET是种ESD敏感器件，它要求在输入级上有二极管保护，常常是这些二极管呈现的漏流至少像JFET输入放大器的输入偏置电流一样大，而且在音频频谱内，MOSFET往往是比JFET更多的噪声源，而且直流失调很难控制。

　　 当MOSFET被用于一个运放的输出级时，它能使输出摆动到接近于电源电压。在常规的双极型输出级中，输出摆幅受饱和电压和其它影响的限制。重要的一点是，要注意必须给MOSFET输出级加一点载荷，以减少它对RON的影响。

　　 六、CMOS工艺

　　 放大器全部由MOSFET管构成也是可能的，但如果按着传统的运放设计来构成，则这些放大器表现的性能很差。较新的设计是使用CMOS开关和外部电容来提供失调电压抵消，这类似于在斩波稳定放大器中使用的方法，这种设计有噪声高、输出能力差和限制电源电压范围的缺点。

　　 七、激光修正

　　 激光修正技术可以适用于上述的芯片上含有薄膜电阻的任何一种形式的放大器，通过修正一对电阻中的一个电阻，可以调整差分输入级中的工作条件，以便降低失调电压。这种技术使得常规生产的双极输入运放，可保证具有低至25　V的失调电压，而高性能的BIFET放大器可保证只有250　V的失调。经失调调整的放大器能够制成精密的电路而不需要外部失调调节。外部调节常常易遭受电位器不稳定、机械冲击以及意外的失调等影响。

　　 八、“Zener-Zap”修正

　　 修正失调电压的另一种方法是所谓的“Zener-Zap”修正。在激光修正中，是通过修正电阻来改变双极型差分级中的射极电流。在“Zener-Zap”中，用计数的方法（类似于DAC）调整一系列电流源以造成电流的平衡，从而形成了最低的失调电压。当通过检测设备规定了电流源的正确组合时，把高压脉冲加到期望的电流源上，来对它们实行永久编程。

　　 “Zener-Zap”唯一不利的方面就是可编程电流源比一对薄膜电阻要求占用更大量的芯片面积，因而它不适用于用做需线形调节的数据变换器，其优点是它不要求薄膜淀积工艺步骤。AD OP-07是“Zener-Zap”修正运放的一个例子。