提到电子技术，一般人会联想到宽萤幕电视、行动电话、电脑、DVD播放机、MP3播放机、数位相机、摄影机、个人媒体播放机和可携式运算装置等电子产品。但还有许多应用是普通人看不见的，例如次世代无线、测试与量测；自动测试设备；医疗仪器与影像；以及需要更高效能的工业应用。

虽然数位电子技术的进步，常被视为推动了各项电子产品与应用的演进，其实在这过程中类比电子的发展却也功不可没。

这也使得高效能类比元件的需求大增，尤其是动态范围更大和操作耗电更少的产品。为满足这样的需求，德州仪器 (TI) 等公司正透过一些先进制程技术，例如第三代全介电隔离式互补双极性制程BiCom3x，来发展和推出下一代的先进类比产品。

数位电子元件在软体和轫体控制下执行许多复杂功能，以便过滤、格式化和处理资讯。数位是以二进制为基础，这表示数位讯号只有「开或关」、「真或假」、或者「0或1」两种状态。

光或声音等真实世界讯号却是连续的，需要类比技术来处理。数位类比转换器(DAC) 和类比数位转换器(ADC) 等类比晶片就是类比与数位功能之间的桥梁，在人类感官所能处理的讯号与数位化的二元脉冲间进行转换，使数位逻辑得以连接到真实世界。没有类比功能，数位设备的用处将大打折扣。

由于数位与类比间关系密切，类比元件制造商要花许多工夫跟上数位元件的脚步：只要数位技术有所进展，类比技术就必须达到相应水准。

在过去，透过既有类比制程，高效能类比设计若想发挥元件的最大效能，就需要有同样电压的正负电源，例如±15V、±8V或近来常见的±5V。但此情形正在改变，采用+5V、+3.3V或更低电压的单电源操作已成为高效能类比元件的最新趋势。由于所需产生的电压数目更少，不仅电源供应成本得以降低，低耗电应用​​也能节省更多电力。但另一方面，如果可供讯号使用的电压摆幅必须缩小，那么类比设计中很重要的动态范围特性也可能受到影响。

尽管高效能类比元件成功将操作电压从±15V减少为5V和3.3V，但由于杂讯不见得会随着操作电压而减少，故想进一步将该电压降至今日数位核心电压的水准并不容易。类比操作电压必须维持一定水准，才能满足高动态范围讯号的电压摆幅要求。

讯号杂波比 (SNR) 和无混附讯号动态范围 (SFDR) 是动态范围的两个重要的衡量标准。 SNR是讯号强度与杂讯的比值：

《公式一 》

SFDR则是讯号强度与最大混附讯号 (spur) 的比值：

《公式二 》

放大器是所有类比电路的重要建构方块，降低放大器的电源电压通常会使可用电压减少，进而导致讯号振幅变小。此时若杂讯和失真维持不变，讯号杂波比和SFDR就会出现同样程度的下降。为了将动态范围恢复至原有水准，电路架构和制程必须在较低电源下还能够提供优异的杂讯和失真效能。 BiCom3x可以提供所需的制程技术，其余就要靠聪明的设计人员和良好的工具。

BiCom 3x5制程概述

BiCom3x是专为超高精准度类比元件所发展的矽锗 (SiGe) 制程技术，是一种在基极区掺杂锗元素的介电隔离式矽基制程。将锗掺杂至基极可大幅提高载子迁移率，同时提供超快的暂态时间。这种制程可制造出转换频率 (transit frequency，fT) 高达26GHz的真正互补双极性NPN和PNP电晶体。互补电晶体可用来发展AB类放大电路，而这正是高速、高效能类比电路的设计关键。

相较于接面隔离技术，利用介电质隔离电晶体可将集极与基材之间的电容减至最少。这有两个好处：减少高频时的寄生电流损耗，并减少电容的非线性特性。 BiCom3x制程就是这项技术的应用成果，其速度、杂讯和线性等特性都远胜过其它的互补技术。

对高速类比设计来说，此制程技术还有许多其它优点，包括电压系数很小的MIM (Metal-insulator-metal) 电容、优异的电阻匹配性(0.1%) 以及很高的电晶体电流增益与尔利电压乘积(β x VA)，这些都使放大器拥有更高的增益。

这项制程还能包含CMOS FET，以便将复杂的数位功能整合至晶片以提高整合度及效能。

运算放大器：架构和设计目标

要了解某种制程能为运算放大器设计人员提供什么，最好先了解设计的架构和目标。

多数运算放大器都采用同样的基本架构：输入级、高阻抗节点 (node​​) 和输出级，输入讯号则通常为电压。输入级把输入讯号转换成电流 (输入级为转导放大器)，再让此电流通过高阻抗节点，以便利用该节点的高阻抗将电流转换回电压 (第二级是转阻放大器)。如果运算放大器提供单端输出，产生的电压就是单端电压；如果运算放大器是差动输出，就会得到差动电压。最后再以输出级做为高阻抗节点的电压缓冲器，以便推动输出负载 (外部零件)。当然，实际设计会有很多变化，但这是基本的架构。

运算放大器的设计目标是实现最大增益，同时减少误差来源和维持稳定性。一般而言，这类设计应该提供很高的输入阻抗及很低的输出阻抗；换言之，最好能做出「理想运算放大器」。

β x VA

许多设计人员在谈论双极性电晶体时，都把电晶体电流增益 (β) 和尔利电压 (VA) 的乘积当成重要的衡量标准。

对输入级而言，高β值电晶体可以减少输入偏压电流，使输入阻抗变得更大。它还会提高该级电路的增益，进而改善放大器的总增益。

就输出级而言，β值越高就表示输出级对高阻抗节点的负载效应越小，放大器的增益也会变得越高。

尔利电压是电晶体集极阻抗的一种估量值，高阻抗节点的阻抗值会与所用电晶体的尔利电压直接相关。更高的尔利电压 = 更高的阻抗 = 更高的放大器增益。

β x VA值越高，越能增加​​回路增益，运算放大器的表现就越好；回路增益则能减少放大器误差 – 亦即降低失真和输入偏移电压。

BiCom 3x制程的β x VA乘积远高于其它类似制程,其中NPN电晶体为50,000,PNP电晶体则为20,000。

介电隔离

在晶圆制造过程中，氧化矽(玻璃) 会在电晶体周围形成绝缘沟道，让电晶体与周围的电路结构完全隔离，​​接面隔离制程(junction isolated processe) 则是利用逆向偏压的PN接面来隔离电晶体。

介电隔离有两项优点：

电晶体的速度取决于许多方面，而其中一项重要因素就是杂散电容；频率增加时，杂散电容「吸走」的电流愈少，则电晶体的高频操作特性就会变得愈好。

电容值随着电压改变会造成非线性效果，进而产生谐波与互调失真。

线性MIM电容

高阻抗节点上会刻意加上电容，以便补偿主要极点 (dominant pole) 的影响。该电容的电压系数越小，造成的失真就越少。在高阻抗节点这极为重要，因为运算放大器看到的最大电压通常都是由此产生。

BiCom3x MIM电容的电压系数 (线性) 通常为-6ppm/V，这个数值非常小，可与目前最好的被动元件相媲美。

优异的电阻匹配 (0.1%)

电阻匹配对于增益设定、电流源匹配和减少输入偏移电压都很重要。 BiCom3x制程不需任何调整就能提供0.1%的固有匹配特性。另外，它的温度系数也低于现有的多数电阻，其中薄膜电阻为25ppm/℃ (线性)，Poly电阻则为-6ppm/℃ (线性)。

THS4302和THS4303是Com3x制程提供完美效能匹配的最好证明。这两款固定增益放大器 (5V/V和10V/V) 在-40℃至+85℃范围的绝对增益准确度高达0.1%。

THS4520全差动运算放大器

THS4520是最先采用BiCom3x制程的全差动运算放大器之一，兼具宽频带、电压回授型、单位增益稳定等特性。它的Rail-to-Rail输出架构，可提供很接近供应电压的讯号摆幅、非常小的失真和杂讯、以及很高的电压回转率和很大频宽，最适合驱动高解析度的类比数位转换器。

最高效能的类比数位转换器都会采用差动输入，以便提供最大的动态范围，THS4520则是驱动这些类比数位转换器的最佳解决方案。 THS4520基本上就是一个标准的运算放大器，可以执行运算放大器所应执行的所有正常功能，例如电压放大、电位转换、主动滤波和脉冲成形 (pulse shaping)。由于它是全差动运算放大器，故能轻易将单端讯号转换成差动讯号，并调整共模电压来匹配高效能类比数位转换器，再加上具有Rail-to-Rail输出，就算供应电压很小也能正常操作。

类比数位转换器的效能不断提高，因此用来驱动它们的放大器也要跟着改进。许多应用都是以SNR和SFDR做为衡量运算放大器优劣的标准。

以下透过与ADS8482的SNR和SNR比较,来展现THS4520驱动类比数位转换器的效能。

ADS8482是1MSPS、全差动输入的18位元电容式SAR类比数位转换器，内含4.096V电压参考以及取样与保持电路。 ADS8482须以8Vpp差动讯号驱动才能得到最大SNR，这对使用5V单电源的运算放大器并非易事。

（图二）与（图三）比较了THS4520和ADS8482在不同频率下的SNR与SFDR，结果显示THS4520是较好的解决方案。注意THS4520在各频率的SNR值都是以该频率做为讯号频宽计算而得，例如10kHz的SNR值就假设讯号频宽为10kHz。 （图一）是简化后的THS4520与ADS8482连接图，其中THS4520放大器使用5V单电源。

《图一 简化后的THS4520与ADS8482连接图》

《图二 THS4520与ADS8482的SNR比较结果》

《图三 THS4520与ADS8482的SFDR比较结果》

结语

更低电压和单电源操作是高效能类比电路的最新趋势，但这需要类比技术与设计出现重大进步才能实现。 BiCom3x等新制程促成了这些新元件的诞生，将为市场带来各种更省电的次世代应用。

（作者为德州仪器高速放大器策略行销部门经理暨技术幕僚团成员）