運算放大器 (Op Amp) 已經(jīng)出現(xiàn)很長時間了，實際上比半導(dǎo)體集成電路出現(xiàn)的時間都長。即使這樣，IC 設(shè)計師仍然繼續(xù)創(chuàng)新，以開發(fā)更小、更快、更準確和功率更低的運算放大器。也許更有意義的是，在集成度更高的 IC 產(chǎn)品中，運算放大器正越來越多地用作基本構(gòu)件，而且每種 IC 產(chǎn)品都以特定種類的應(yīng)用為目標。大多數(shù)電氣工程師對于某些基于放大器的產(chǎn)品是熟悉的。作為基于運算放大器的集成電路產(chǎn)品，比較器、儀表放大器和差分放大器得到了廣泛采用。這些產(chǎn)品執(zhí)行了有用的功能，而且一般情況下，與相同的分立運算放大器電路相比，前者執(zhí)行任務(wù)更快、更準確，使用的電路板空間也更少。本文專門討論幾類高速放大器產(chǎn)品，這些產(chǎn)品能提高新的儀表、醫(yī)療和通信應(yīng)用的性能。這些產(chǎn)品已經(jīng)進行了優(yōu)化，以提供分立運算放大器電路不具備的功能和性能優(yōu)勢。

　　全差分高速放大器

　　隨著信號帶寬增加，放大和驅(qū)動這些信號的挑戰(zhàn)也增加了，尤其是需要數(shù)字化信號時，更是這樣。高速流水線型 ADC 顯現(xiàn)復(fù)雜的容性負載，需要在不給信號增加顯著噪聲或失真的條件下驅(qū)動這樣的負載。大多數(shù)高速 ADC 如今都采用差分輸入，以在一個有限的輸入電壓范圍 (由于半導(dǎo)體工藝幾何尺寸的日益縮小所致) 內(nèi)實現(xiàn) SNR 的最大化。

　　傳統(tǒng)上，一直用高速開環(huán) RF 型放大器驅(qū)動這些 ADC。但是一般情況下，這些放大器是單端的，需要大量功率，并要求一個 5V 至 12V 的電源。最近，已經(jīng)開發(fā)了全差分放大器，這些放大器以高速度驅(qū)動 ADC，并實現(xiàn)了卓越的噪聲和失真性能。這些放大器常常用先進的互補雙極型硅鍺 (SiGe) 工藝制造。因為鍺原子比硅原子大，所以給不同的硅工藝有選擇地增加一些鍺可在硅材料的晶體結(jié)構(gòu)中引起壓力。這種壓力實際上導(dǎo)致有益的電氣特性，可制造出更快的晶體管。 就是這樣一個硅鍺全差分放大器。這個放大器可以用來驅(qū)動差分信號，或?qū)味诵盘栠M行轉(zhuǎn)換，如圖 1 所示。 針對信號帶寬從 DC 直到 10MHz 的 14 位和 18 位應(yīng)用。對于高達 10MHz 的輸入信號而言，它實現(xiàn)了好于 90dB 的失真和不到 1.5nV/√Hz 的噪聲，從而使該器件非常適用于高性能儀表。任何放大器的關(guān)鍵內(nèi)部組件都是其補償電路，該電路設(shè)定保持該器件穩(wěn)定的最低增益。IC 設(shè)計師可以在較低增益時的穩(wěn)定性和較高頻率時的更好性能之間權(quán)衡。 有 3 種版本：單位增益可穩(wěn)定的 -1、去補償?shù)?-2 和 -4，LTC6402-2 和 -4 分別以 2 和 4 的最低增益實現(xiàn)了更高的速度和更好的失真特性。 用 2.7V 至 5.25V 的單電源工作，提供軌至軌輸出，允許系統(tǒng)設(shè)計師最大限度地擴大輸出擺幅。還提供一個更寬溫度范圍 (-40℃至 125℃) 的 版本，以用在堅固的儀表應(yīng)用中。

 　　進一步的集成可以提供更多益處。在高頻時，系統(tǒng)穩(wěn)定性可能成為重大挑戰(zhàn)，這主要是因為在電路板上傳送高速信號引起了寄生電容。通過在放大器中集成增益和反饋電阻器，可減少電路板上的分立組件，并因此減少雜散電容。另外，關(guān)鍵的反饋節(jié)點被轉(zhuǎn)移到了芯片上，從而使電路對連接導(dǎo)線的電感不那么敏感了。LTC6400 就是這樣一個產(chǎn)品，就高達約 300MHz 的高頻信號而言，它實現(xiàn)了穩(wěn)定性和高性能。LTC6420-20 更進一步，它在單芯片上集成了兩個通道，從而可以在兩個通道之間實現(xiàn)更好的相位和增益匹配。

　　高速可變增益放大器

　　通過采用全差分高速放大器，并納入增益控制以形成一個可變增益放大器 (VGA) ，甚至可以實現(xiàn)更高的集成度。VGA 作為數(shù)字控制或模擬控制器件提供，對自動增益控制和溫度補償尤其有用。LTC6412 (圖 2) 是全差分模擬控制 VGA 的一個例子，這種 VGA 在整個頻率、溫度和增益范圍內(nèi)具有卓越的穩(wěn)定性和一致性。LTC6412 具有 800MHz 時的 -3dB 帶寬，為用 1MHz 至 500MHz 的輸入信號工作而優(yōu)化，并提供從 -14dB 至 17dB 的連續(xù)增益調(diào)節(jié)。它在整個增益范圍內(nèi)實現(xiàn)了恒定輸出噪聲水平，在最高增益設(shè)置時具有僅為 10dB 的噪聲指數(shù) (NF)。這導(dǎo)致了恒定 SFDR 特性，在整個增益控制范圍內(nèi)，在 240MHz 時仍然保持高于 120dB。

 　　高速有源濾波器

　　第三個基于高速集成放大器的產(chǎn)品例子是高速有源濾波器。直到最近，市場上大多數(shù)集成式有源濾波器的帶寬都限制為低于 2MHz。需要更高截止頻率的系統(tǒng)設(shè)計師別無選擇，只能開發(fā)分立式設(shè)計，而分立式設(shè)計笨重，并占用大量電路板空間。如果系統(tǒng)需要更高階的濾波器或高的濾波器準確度，那么這種挑戰(zhàn)會加劇。使高性能差分放大器和 VGA 得以實現(xiàn)的工藝和設(shè)計進步，同樣使開發(fā)更高帶寬的有源濾波器成為可能。與前面描述的放大器類似，這些新的濾波器常常是全差分和以在低電源電壓時實現(xiàn)更好的 SNR。凌力爾特公司已經(jīng)推出多種大帶寬有源濾波器基本構(gòu)件，打算用作減輕設(shè)計任務(wù)負擔的即用解決方案。這些單路和雙路匹配濾波器提供集成的、高度準確的濾波能力，以小的占板面積提供卓越的動態(tài)范圍性能。它們適用于多種應(yīng)用，如用于驅(qū)動高分辨率 A/D 轉(zhuǎn)換器的抗混疊濾波器，在無線通信接收器和發(fā)送器中用于 D/A 轉(zhuǎn)換器的重建濾波器，工業(yè)和醫(yī)療信號處理中的光學(xué)和圖像處理濾波器，儀表和測試、RFID 調(diào)制基帶濾波器，以及信號處理應(yīng)用中所有類型的濾波。

　　LTC6601 含有一個低噪聲、寬帶放大器以及內(nèi)置分類電阻器和電容器，以形成一個 2 階差分輸入和輸出的低通濾波器。這些電阻器和電容器從引腳引出，允許用戶混合和匹配不同的組合，以形成從 5MHz 至 27MHz 的多種低通響應(yīng)以及濾波器增益。這些內(nèi)部電阻器和電容器滿足 ±0.5% 的容限。另外，該放大器的帶寬還在工廠中進行了微調(diào)。該組合提供的低通濾波器響應(yīng)的準確度在用分立組件時是難以做到的，同時這組合可確保卓越的可重復(fù)性并顯著節(jié)省電路板空間。圖 3 顯示該濾波器通過引腳搭接內(nèi)部電阻器和電容器以實現(xiàn)不同濾波器響應(yīng)的拓撲。通過級聯(lián)多級該濾波器，可以非常容易地設(shè)計具有準確響應(yīng)的更高階濾波器。

 　　就像 LTC6420 雙路高速放大器的例子一樣，集成的有源濾波器還可以設(shè)計成在同一封裝中具有多個通道，以在多通道系統(tǒng)中提供匹配的增益和相位。LTC6605 就是這樣一個基于 LTC6601 的雙路濾波器。3 個版本實現(xiàn)從 6.5MHz 到 25MHz 的截止頻率。這些雙通道濾波器具有有保證的增益和相位匹配規(guī)格。它們?yōu)榧从眯?、小外形尺寸、具最少外部組件的解決方案而設(shè)計。

　　LT6* 系列是另一個雙路寬帶濾波器的例子，這些濾波器為在額定頻率帶寬范圍內(nèi)提供嚴格匹配的相位和幅度性能而設(shè)計。這個系列提供固定 2.5MHz、5MHz、10MHz 和 15MHz 截止帶寬，可用 3V、5V 或 ±5V 電源供電。它們的響應(yīng)有 4 階逼近契比雪夫 (Chebyshev) 滾降過渡帶，同時在直到規(guī)定截止頻率的通帶內(nèi)保持嚴格的 0.6dB 增益平坦度。頻率響應(yīng)不受增益設(shè)置的影響，增益設(shè)置由兩個外部電阻器控制。LT6* 為今天新一代先進的通信接收器、儀表和信號處理設(shè)備而設(shè)計，這些設(shè)備需要準確的多通道濾波和匹配特性。

　　如 LTC6602 和 LTC6603 所展示的那樣，更高階雙通道濾波器也可以實現(xiàn)。LTC6602 結(jié)合了一個與 4 階高通濾波器級聯(lián)的 5 階低通濾波器，以形成一個帶通響應(yīng)。增益和截止頻率可利用引腳搭接或 SPI 接口設(shè)定。高通濾波器可以在軟件控制下旁路，從而僅提供低通濾波功能。最高工作頻率為 900kHz，適用于 RFID 閱讀器和更低頻率的通信接收器。相比之下，LTC6603 有更大的帶寬，最高截止頻率高達 2.5MHz。它是一個真正的 9 階低通雙通道濾波器，并在比轉(zhuǎn)角頻率高一個倍頻程的條件下提供了超過 45dB 的抑制。

　　結(jié)語

　　半導(dǎo)體工藝技術(shù)和集成電路設(shè)計的進步使全新一類為高頻應(yīng)用而優(yōu)化的放大器產(chǎn)品成為可能。高速硅鍺工藝在更大的帶寬上實現(xiàn)更高的性能。這些放大器產(chǎn)品通過采用差分架構(gòu)，就給定電源范圍而言，最大限度地擴大了動態(tài)范圍。良好匹配的內(nèi)置電阻器和電容器提供卓越的噪聲和失真性能，同時在溫度變化范圍內(nèi)提供卓越的匹配。最后，可以集成多個通道以提供通道至通道匹配，而用電路板級的分立放大器很難實現(xiàn)這樣的匹配。