提到電子技術，一般人會聯想到寬螢幕電視、行動電話、電腦、DVD播放機、MP3播放機、數位相機、攝影機、個人媒體播放機和可攜式運算裝置等電子產品。但還有許多應用是普通人看不見的，例如次世代無線、測試與量測；自動測試設備；醫療儀器與影像；以及需要更高效能的工業應用。

雖然數位電子技術的進步，常被視為推動了各項電子產品與應用的演進，其實在這過程中類比電子的發展卻也功不可沒。

這也使得高效能類比元件的需求大增，尤其是動態範圍更大和操作耗電更少的產品。為滿足這樣的需求，德州儀器 (TI) 等公司正透過一些先進製程技術，例如第三代全介電隔離式互補雙極性製程BiCom3x，來發展和推出下一代的先進類比產品。

數位電子元件在軟體和軔體控制下執行許多複雜功能，以便過濾、格式化和處理資訊。數位是以二進制為基礎，這表示數位訊號只有「開或關」、「真或假」、或者「0或1」兩種狀態。

光或聲音等真實世界訊號卻是連續的，需要類比技術來處理。數位類比轉換器 (DAC) 和類比數位轉換器 (ADC) 等類比晶片就是類比與數位功能之間的橋樑，在人類感官所能處理的訊號與數位化的二元脈衝間進行轉換，使數位邏輯得以連接到真實世界。沒有類比功能，數位設備的用處將大打折扣。

由於數位與類比間關係密切，類比元件製造商要花許多工夫跟上數位元件的腳步：只要數位技術有所進展，類比技術就必須達到相應水準。

在過去，透過既有類比製程，高效能類比設計若想發揮元件的最大效能，就需要有同樣電壓的正負電源，例如±15V、±8V或近來常見的±5V。但此情形正在改變，採用+5V、+3.3V或更低電壓的單電源操作已成為高效能類比元件的最新趨勢。由於所需產生的電壓數目更少，不僅電源供應成本得以降低，低耗電應用也能節省更多電力。但另一方面，如果可供訊號使用的電壓擺幅必須縮小，那麼類比設計中很重要的動態範圍特性也可能受到影響。

儘管高效能類比元件成功將操作電壓從±15V減少為5V和3.3V，但由於雜訊不見得會隨著操作電壓而減少，故想進一步將該電壓降至今日數位核心電壓的水準並不容易。類比操作電壓必須維持一定水準，才能滿足高動態範圍訊號的電壓擺幅要求。

訊號雜波比 (SNR) 和無混附訊號動態範圍 (SFDR) 是動態範圍的兩個重要的衡量標準。SNR是訊號強度與雜訊的比值：

《公式一　》

SFDR則是訊號強度與最大混附訊號 (spur) 的比值：

《公式二　》

放大器是所有類比電路的重要建構方塊，降低放大器的電源電壓通常會使可用電壓減少，進而導致訊號振幅變小。此時若雜訊和失真維持不變，訊號雜波比和SFDR就會出現同樣程度的下降。為了將動態範圍恢復至原有水準，電路架構和製程必須在較低電源下還能夠提供優異的雜訊和失真效能。BiCom3x可以提供所需的製程技術，其餘就要靠聰明的設計人員和良好的工具。

BiCom3x5製程概述

BiCom3x是專為超高精準度類比元件所發展的矽鍺 (SiGe) 製程技術，是一種在基極區摻雜鍺元素的介電隔離式矽基製程。將鍺摻雜至基極可大幅提高載子遷移率，同時提供超快的暫態時間。這種製程可製造出轉換頻率 (transit frequency，fT) 高達26GHz的真正互補雙極性NPN和PNP電晶體。互補電晶體可用來發展AB類放大電路，而這正是高速、高效能類比電路的設計關鍵。

相較於接面隔離技術，利用介電質隔離電晶體可將集極與基材之間的電容減至最少。這有兩個好處：減少高頻時的寄生電流損耗，並減少電容的非線性特性。BiCom3x製程就是這項技術的應用成果，其速度、雜訊和線性等特性都遠勝過其它的互補技術。

對高速類比設計來說，此製程技術還有許多其它優點，包括電壓係數很小的MIM (Metal-insulator-metal) 電容、優異的電阻匹配性 (0.1%) 以及很高的電晶體電流增益與爾利電壓乘積 (β x VA)，這些都使放大器擁有更高的增益。

這項製程還能包含CMOS FET，以便將複雜的數位功能整合至晶片以提高整合度及效能。

運算放大器：架構和設計目標

要瞭解某種製程能為運算放大器設計人員提供什麼，最好先瞭解設計的架構和目標。

多數運算放大器都採用同樣的基本架構：輸入級、高阻抗節點 (node) 和輸出級，輸入訊號則通常為電壓。輸入級把輸入訊號轉換成電流 (輸入級為轉導放大器)，再讓此電流通過高阻抗節點，以便利用該節點的高阻抗將電流轉換回電壓 (第二級是轉阻放大器)。如果運算放大器提供單端輸出，產生的電壓就是單端電壓；如果運算放大器是差動輸出，就會得到差動電壓。最後再以輸出級做為高阻抗節點的電壓緩衝器，以便推動輸出負載 (外部零件)。當然，實際設計會有很多變化，但這是基本的架構。

運算放大器的設計目標是實現最大增益，同時減少誤差來源和維持穩定性。一般而言，這類設計應該提供很高的輸入阻抗及很低的輸出阻抗；換言之，最好能做出「理想運算放大器」。

β x VA

許多設計人員在談論雙極性電晶體時，都把電晶體電流增益 (β) 和爾利電壓 (VA) 的乘積當成重要的衡量標準。

對輸入級而言，高β值電晶體可以減少輸入偏壓電流，使輸入阻抗變得更大。它還會提高該級電路的增益，進而改善放大器的總增益。

就輸出級而言，β值越高就表示輸出級對高阻抗節點的負載效應越小，放大器的增益也會變得越高。

爾利電壓是電晶體集極阻抗的一種估量值，高阻抗節點的阻抗值會與所用電晶體的爾利電壓直接相關。更高的爾利電壓 = 更高的阻抗 = 更高的放大器增益。

β x VA值越高，越能增加迴路增益，運算放大器的表現就越好；迴路增益則能減少放大器誤差 – 亦即降低失真和輸入偏移電壓。

BiCom3x製程的β x VA乘積遠高於其它類似製程，其中NPN電晶體為50,000，PNP電晶體則為20,000。

介電隔離

在晶圓製造過程中，氧化矽 (玻璃) 會在電晶體周圍形成絕緣溝道，讓電晶體與周圍的電路結構完全隔離，接面隔離製程 (junction isolated processe) 則是利用逆向偏壓的PN接面來隔離電晶體。

介電隔離有兩項優點：

電晶體的速度取決於許多方面，而其中一項重要因素就是雜散電容；頻率增加時，雜散電容「吸走」的電流愈少，則電晶體的高頻操作特性就會變得愈好。

電容值隨著電壓改變會造成非線性效果，進而產生諧波與互調失真。

線性MIM電容

高阻抗節點上會刻意加上電容，以便補償主要極點 (dominant pole) 的影響。該電容的電壓係數越小，造成的失真就越少。在高阻抗節點這極為重要，因為運算放大器看到的最大電壓通常都是由此產生。

BiCom3x MIM電容的電壓係數 (線性) 通常為-6ppm/V，這個數值非常小，可與目前最好的被動元件相媲美。

優異的電阻匹配 (0.1%)

電阻匹配對於增益設定、電流源匹配和減少輸入偏移電壓都很重要。BiCom3x製程不需任何調整就能提供0.1%的固有匹配特性。另外，它的溫度係數也低於現有的多數電阻，其中薄膜電阻為25ppm/℃ (線性)，Poly電阻則為-6ppm/℃ (線性)。

THS4302和THS4303是BiCom3x製程提供完美效能匹配的最好證明。這兩款固定增益放大器 (5V/V和10V/V) 在-40℃至+85℃範圍的絕對增益準確度高達0.1%。

THS4520全差動運算放大器

THS4520是最先採用BiCom3x製程的全差動運算放大器之一，兼具寬頻帶、電壓回授型、單位增益穩定等特性。它的Rail-to-Rail輸出架構，可提供很接近供應電壓的訊號擺幅、非常小的失真和雜訊、以及很高的電壓迴轉率和很大頻寬，最適合驅動高解析度的類比數位轉換器。

最高效能的類比數位轉換器都會採用差動輸入，以便提供最大的動態範圍，THS4520則是驅動這些類比數位轉換器的最佳解決方案。THS4520基本上就是一個標準的運算放大器，可以執行運算放大器所應執行的所有正常功能，例如電壓放大、電位轉換、主動濾波和脈衝成形 (pulse shaping)。由於它是全差動運算放大器，故能輕易將單端訊號轉換成差動訊號，並調整共模電壓來匹配高效能類比數位轉換器，再加上具有Rail-to-Rail輸出，就算供應電壓很小也能正常操作。

類比數位轉換器的效能不斷提高，因此用來驅動它們的放大器也要跟著改進。許多應用都是以SNR和SFDR做為衡量運算放大器優劣的標準。

以下透過與ADS8482的SNR和SFDR比較，來展現THS4520驅動類比數位轉換器的效能。

ADS8482是1MSPS、全差動輸入的18位元電容式SAR類比數位轉換器，內含4.096V電壓參考以及取樣與保持電路。ADS8482須以8Vpp差動訊號驅動才能得到最大SNR，這對使用5V單電源的運算放大器並非易事。

（圖二）與（圖三）比較了THS4520和ADS8482在不同頻率下的SNR與SFDR，結果顯示THS4520是較好的解決方案。注意THS4520在各頻率的SNR值都是以該頻率做為訊號頻寬計算而得，例如10kHz的SNR值就假設訊號頻寬為10kHz。（圖一）是簡化後的THS4520與ADS8482連接圖，其中THS4520放大器使用5V單電源。

《圖一　簡化後的THS4520與ADS8482連接圖》

《圖二　THS4520與ADS8482的SNR比較結果》

《圖三　THS4520與ADS8482的SFDR比較結果》

結語

更低電壓和單電源操作是高效能類比電路的最新趨勢，但這需要類比技術與設計出現重大進步才能實現。BiCom3x等新製程促成了這些新元件的誕生，將為市場帶來各種更省電的次世代應用。

（作者為德州儀器高速放大器策略行銷部門經理暨技術幕僚團成員）