低噪聲視頻運(yùn)算放大器的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

尤其偉　丁召　馬奎

摘? 要： 低噪聲視頻運(yùn)算放大器因其低噪聲、高速寬帶特性被廣泛應(yīng)用于視頻設(shè)備中。文章介紹了低噪聲視頻運(yùn)算放大器的發(fā)展簡史及激光修調(diào)電阻技術(shù)。通過對(duì)比BJT、CMOS、BiCMOS、SOI和GaAs各種工藝的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合國內(nèi)外低噪聲視頻運(yùn)算放大器的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)其發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞： 視頻運(yùn)算放大器; 低噪聲; 高速互補(bǔ)雙極型工藝; 修調(diào)電阻

中圖分類號(hào)：TN431.1? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ?文章編號(hào)：1006-8228（2022）03-41-04

Abstract： Low noise video operational amplifiers are widely used in video equipment owning their characteristics of low noise， high-speed broadband. This paper introduces the development history of low noise video operational amplifier and the technology of laser trimming resistance. By comparing the advantages and disadvantages of BJT， CMOS， BiCMOS， SOI and GaAs manufacturing processes， and combined with the development status of low-noise video operational amplifiers at home and abroad， the development trend is prospected.

Key words： video operational amplifier; low noise; high-speed complementary bipolar process; trimming resistance

0 引言

隨著短視頻和直播行業(yè)的興起，市場對(duì)視頻設(shè)備的需求量越來越多，而且對(duì)視頻拍攝質(zhì)量的要求也越來越高。運(yùn)算放大器是視頻信號(hào)處理系統(tǒng)的關(guān)鍵部分之一，常常被應(yīng)用在攝像機(jī)、視頻監(jiān)控、可視化門鈴、汽車駕駛員輔助系統(tǒng)成像等方面[1]。在這些應(yīng)用場景中，由于所布設(shè)的信號(hào)傳輸線路比較長，會(huì)導(dǎo)致視頻信號(hào)衰落，播放出來的圖像效果變差，所以在一定的距離后加一個(gè)放大器電路將原視頻信號(hào)保持高質(zhì)量推送就變得十分重要。而運(yùn)放的高增益、低損耗特性正好適用于信號(hào)放大，所以，對(duì)視頻信號(hào)的處理需要用到運(yùn)算放大器來對(duì)其進(jìn)行緩沖放大或調(diào)制處理[2]。這些視頻設(shè)備要求運(yùn)算放大器具有低噪聲、高速、寬帶、低失真、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)。而通用型運(yùn)算放大器卻面臨噪聲高、轉(zhuǎn)換速率低、帶寬窄等困難，這使得通用型運(yùn)算放大器無法應(yīng)用于視頻設(shè)備中。因此，低噪聲視頻運(yùn)算放大器應(yīng)運(yùn)而生。本文對(duì)低噪聲視頻運(yùn)算放大器進(jìn)行分析討論。

1 低噪聲視頻運(yùn)算放大器特性

與一般的運(yùn)算放大器相比，視頻運(yùn)算放大器主要是對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行緩沖放大處理。視頻信號(hào)是由亮度信號(hào)和彩色信號(hào)組成，世界上第一種彩色電視制式是由美國開發(fā)的，美國國家電視制式委員會(huì)（National Television System Committee，NTSC）制定了這一彩色電視傳輸標(biāo)準(zhǔn)。NTSC制式的電視標(biāo)準(zhǔn)，它的視頻帶寬為4.2MHz。其中，由于人類眼睛對(duì)亮度的空間和時(shí)間變化最為敏感，亮度信號(hào)覆蓋了全部的可用視頻帶寬（0～4.2MHz）。而眼睛對(duì)彩色信號(hào)沒有那么敏感，所以彩色信息需要較少的帶寬，其采用3.58MHz的色負(fù)載波進(jìn)行傳輸。正是因?yàn)橐曨l信號(hào)的寬帶特性，所以視頻運(yùn)算放大器對(duì)-3dB帶寬指標(biāo)要求很高[3]。

視頻運(yùn)算放大器必須達(dá)到一定的頻帶寬度和轉(zhuǎn)換速率[4]。運(yùn)算放大器的帶寬用來衡量一個(gè)放大器能處理信號(hào)的頻率范圍，當(dāng)帶寬越寬時(shí)，能處理的輸入信號(hào)的頻率也就越高，整個(gè)電路的高頻性能也就越好，如果帶寬不夠的話，運(yùn)算放大器在處理高頻信號(hào)時(shí)就容易導(dǎo)致信號(hào)失真。當(dāng)輸入信號(hào)為小信號(hào)時(shí)，通常用-3dB帶寬來表示帶寬性能;當(dāng)輸入信號(hào)為大信號(hào)時(shí)，一般用壓擺率（即轉(zhuǎn)換速率）來衡量帶寬性能。一般來講，視頻運(yùn)算放大器的-3dB帶寬高于50MHz，壓擺率高于80V/μs。

視頻運(yùn)算放大器隨著高分辨電視技術(shù)的發(fā)展，其對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行高精度和無失真放大的要求也越來越高。視頻運(yùn)算放大器還需要具有出色的低噪聲和低失調(diào)性能[5]。在綜合各方面要求之后，人們對(duì)視頻運(yùn)算放大器的特性要求做了一些歸納，如表1所示。其中，在f=10kHz的等效輸入電壓噪聲要低于10nV/[Hz]，最大輸入失調(diào)電壓[Vos]要低于2mV，共模抑制比和電源抑制比要高于100dB。

2 低噪聲視頻運(yùn)算放大器的發(fā)展簡史

在晶體管廣泛使用之前，運(yùn)算放大器是用電子管制造的。20世紀(jì)50年代出現(xiàn)了工作電壓較低的小型電子管，但運(yùn)算放大器的體積和建房用的磚頭差不多大小，因此當(dāng)時(shí)的運(yùn)放模塊有個(gè)俗名叫“磚塊”。

20世紀(jì)50年代末期，模擬工程師們開始研發(fā)集成電路。60年代中期，仙童公司（Fairchild）推出μA709，這是第一種在商業(yè)上獲得成功的集成運(yùn)算放大器。這是第一代集成運(yùn)算放大器，采用BJT工藝制造，使用了微電流恒流源，共模負(fù)反饋等電路，它們能夠達(dá)到中等精度的要求。

第二代集成運(yùn)算放大器以μA741為代表，它的重要特點(diǎn)是采用有源負(fù)載代替了集成電阻，從而極大地提高了開環(huán)增益。在電路結(jié)構(gòu)上，采用輸入級(jí)、中間放大級(jí)、輸出級(jí)三級(jí)放大的模式[6]。輸入級(jí)一般采用差分輸入級(jí)來抑制共模信號(hào)和零點(diǎn)漂移，輸出級(jí)使用互補(bǔ)推挽放大器電路形式，用來獲得較高的輸出功率和效率[7]。電路中還有短路保護(hù)措施，但是用來防止自激振蕩的校正措施比較簡單。

第三代集成運(yùn)算放大器以AD508為代表，其重要特點(diǎn)是在輸入級(jí)使用了電流放大系數(shù)特別大的超β管，在提高電流和電壓放大倍數(shù)的同時(shí)，極大地減小了運(yùn)算放大器的失調(diào)。第三代產(chǎn)品還使用了鉻-硅電阻和激光修調(diào)技術(shù)[8]，修調(diào)工藝直接影響了修調(diào)的精度，這其中最為關(guān)鍵的一個(gè)因素就是切割形式，它決定了修調(diào)的速度和修調(diào)后電阻的質(zhì)量等[9]，切割形式如圖1所示。

第四代集成運(yùn)算放大器以HA2900為代表，其采用目前相對(duì)先進(jìn)的結(jié)構(gòu)，如斬波穩(wěn)零技術(shù)，成為自穩(wěn)零運(yùn)算放大器。其制造工藝達(dá)到了大規(guī)模集成電路的水平，輸入級(jí)采用MOS場效應(yīng)管。集成運(yùn)算放大器的性能也隨著更新迭代的工藝水平不斷提高。

隨著對(duì)視頻信號(hào)緩沖放大的質(zhì)量要求越來越高，市場出現(xiàn)了低噪聲視頻運(yùn)算放大器。20世紀(jì)90年代，ADI公司推出了AD810，代表著國外在視頻運(yùn)算放大器的研究技術(shù)方面趨于成熟。AD810是一款適合用于HDTV（High-definition Television）的低噪聲視頻運(yùn)算放大器，非常適合在多媒體和攝像機(jī)等系統(tǒng)中使用。隨后發(fā)展出的低噪聲視頻運(yùn)算放大器有AD828、LT1675、AD8045等眾多型號(hào)，這些運(yùn)算放大器都具有出色的視頻性能。

3 低噪聲視頻運(yùn)算放大器的工藝

模擬集成電路的根基在于工藝，工藝的進(jìn)步極大地推動(dòng)了集成電路的發(fā)展。伴隨著新工藝的不斷涌現(xiàn)，可以將集成電路的制作工藝分為BJT（Bipolar Junction Transistor）、CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）和BiCMOS（Bipolar Junction Transistor and Complementary Metal Oxide Semiconductor Transistor）。各種工藝的優(yōu)缺點(diǎn)如表2所示。

目前CMOS工藝已經(jīng)成熟地應(yīng)用于集成電路中，臺(tái)積電的5nm CMOS工藝平臺(tái)已經(jīng)開始投產(chǎn)。雖然CMOS工藝具有高集成度、低功耗、低成本等特性，但是雙極型工藝在噪聲性能和匹配性上有著CMOS工藝無法相比的優(yōu)點(diǎn)，其高速性能可以用來制作如視頻運(yùn)算放大器之類的專用型運(yùn)算放大器。雙極型工藝在高精度、高增益、高穩(wěn)定度方面繼續(xù)發(fā)揮著它的優(yōu)勢，尤其在軍工產(chǎn)品方面，具有不可替代性。

在設(shè)計(jì)低噪聲視頻運(yùn)算放大器時(shí)，主要考慮到在處理視頻信號(hào)時(shí)對(duì)速度和帶寬的要求。所以在選擇工藝時(shí)，需要選擇寄生電容較小、特征頻率較高的工藝。當(dāng)寄生電容越小、特征頻率越高時(shí)，運(yùn)算放大器能處理的信號(hào)頻帶就越寬，電壓轉(zhuǎn)換速率就越大[10]。綜合視頻運(yùn)算放大器對(duì)高速寬帶的要求，一般選擇標(biāo)準(zhǔn)高速互補(bǔ)雙極型工藝進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。該種工藝的有源元件有VPNP（縱向 PNP管）、PNP（橫向PNP）、NPN。無源元件有電感、多晶硅電阻、MIS電容。同時(shí)，針對(duì)電路可靠性方面，該種工藝還提供了標(biāo)準(zhǔn)的鍵合點(diǎn)單元以及防靜電保護(hù)（Electro-static Discharge，ESD）單元。另外該種工藝可以提供三層鋁線，在版圖設(shè)計(jì)時(shí)可以更好地對(duì)元件進(jìn)行布局，增加了元件集成度，減小了芯片面積。

4 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析

模擬集成電路中，TI、ADI、英飛凌、意法半導(dǎo)體等歐美公司起步最早，研發(fā)的產(chǎn)品線廣、產(chǎn)品性能優(yōu)越，一直占據(jù)著全球模擬IC中絕大部分的市場份額[11]。在低噪聲視頻運(yùn)算放大器領(lǐng)域中，凌特公司（現(xiàn)已被ADI收購）推出了增益帶寬積高達(dá)4GHz、偏置電流達(dá)到飛安量級(jí)的LTC62系列運(yùn)放。ADI公司是行業(yè)的領(lǐng)軍者之一，其推出的ADA4807系列產(chǎn)品，具有低噪聲特性，當(dāng)頻率為100kHz時(shí)，輸入電壓噪聲為3.1nV/[Hz];具有直流精度的高速性能，-3dB帶寬為180MHz，壓擺率為225V/μs，0.1%建立時(shí)間為47 ns，輸入失調(diào)電壓為125μV;具有高輸出驅(qū)動(dòng)能力，輸出電流最小為50mA，適合驅(qū)動(dòng)后部端接電纜。

國內(nèi)對(duì)低噪聲視頻運(yùn)算放大器的研究起步比較晚，目前隨著芯片國產(chǎn)化進(jìn)程加快，國內(nèi)的一些公司也取得了巨大的進(jìn)步。如北京圣邦微電子公司于2019年推出的SGM8061/SGM8062/SGM8063系列芯片，具有低噪聲特性，當(dāng)頻率為1MHz時(shí)，輸入電壓噪聲為5.6nV/[Hz];具有優(yōu)秀的高速性能，-3dB帶寬為500MHz，壓擺率為420μV/s，0.1%建立時(shí)間為16ns;具有高輸出驅(qū)動(dòng)能力，輸出電流最小為100mA，適合用在專業(yè)的視頻設(shè)備中。目前國內(nèi)的很多相關(guān)產(chǎn)品使用的是BJT工藝，相比于其他的工藝，其器件尺寸更大，較難滿足商業(yè)電路的集成。同時(shí)許多低噪聲視頻運(yùn)算放大器產(chǎn)品無法批量生產(chǎn)，還停留在實(shí)驗(yàn)室階段。所以按照國內(nèi)外研究水平的橫向比較，國內(nèi)低噪聲視頻運(yùn)算放大器還不成熟，處于追趕行業(yè)龍頭的地位。

5 未來發(fā)展趨勢

隨著短視頻和直播等行業(yè)的發(fā)展，對(duì)視頻設(shè)備的需求量日益增多，國家也正在加大對(duì)集成電路行業(yè)的支持力度。國內(nèi)低噪聲視頻運(yùn)算放大器的性能將得到提升，并終將實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的國產(chǎn)化。

未來，低噪聲視頻運(yùn)算放大器將會(huì)越來越多地被使用在攝像機(jī)、視頻監(jiān)控、汽車駕駛員輔助系統(tǒng)成像等應(yīng)用上。一方面，隨著以單電源、低電壓為特征的便攜式設(shè)備的普及，對(duì)運(yùn)算放大器傳統(tǒng)的雙電源供電方式和供電電壓提出了挑戰(zhàn);另一方面，隨著人們對(duì)視頻信號(hào)傳輸質(zhì)量的要求不斷提高，對(duì)視頻運(yùn)算放大器的噪聲性能和直流精度提出了挑戰(zhàn)[12]。

市場對(duì)移動(dòng)端產(chǎn)品的需求量將會(huì)不斷增大，低噪聲視頻運(yùn)算放大器的發(fā)展將迎合市場的這一特點(diǎn)。市場的潛力促進(jìn)了視頻運(yùn)算放大器在保持高速寬帶特性的同時(shí)，往低噪聲、低失調(diào)、低功耗等性能方面發(fā)展[13]。同時(shí)，這也對(duì)模擬電路設(shè)計(jì)師和芯片生產(chǎn)廠商提出了新的挑戰(zhàn)。在研制過程中，也要盡可能地兼顧視頻運(yùn)算放大器的可靠性與經(jīng)濟(jì)成本。更低的噪聲、更小的失調(diào)、更高的性價(jià)比，將成為下一代視頻運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)的焦點(diǎn)。

6 結(jié)束語

隨著工藝節(jié)點(diǎn)不斷向前發(fā)展，先進(jìn)的工藝技術(shù)使得芯片的集成度更高、性能更好。在未來，采用具有更低的寄生電容和更高的特征頻率的工藝將會(huì)使得視頻運(yùn)算放大器的高速寬帶性能變得更好[14]。同時(shí)，在低噪聲視頻運(yùn)算放大器上運(yùn)用激光修調(diào)，斬波穩(wěn)零等技術(shù)提高了設(shè)計(jì)的直流精度。本文介紹了低噪聲視頻運(yùn)算放大器的用途和特性，回顧了其發(fā)展簡史，并了解了其制作工藝。通過對(duì)國外和國內(nèi)低噪聲視頻運(yùn)算放大器產(chǎn)品的比較，認(rèn)識(shí)到了與國外行業(yè)龍頭的差距，這對(duì)于提升我國視頻運(yùn)算放大器領(lǐng)域的水平和產(chǎn)品性能具有重要意義。

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