國半推出提高放大器精度和功耗的VIP50工藝

美國國家半導(dǎo)體公司 (National Semiconductor Corporation) 今日推出的專有 BiCMOS 模擬工藝技術(shù)，可以大幅提高新一代高精度、低功率、低電壓運(yùn)算放大器的性能。

圖為國家半導(dǎo)體卡洛斯.桑切斯和胡國佳

美國國家半導(dǎo)體是低功率、低電壓放大器的領(lǐng)導(dǎo)者，該公司推出 4 款型號分別為 LMV651、LMV791、LPV511 及 LPV7215 的全新放大器，其特色是增益帶寬積達(dá)到世界的先進(jìn)水平。以 12 MHz 單位增益帶寬的 LMV651 放大器為例來說，這款放大器比采用 SOT 及 SC70 封裝的主要競爭產(chǎn)品節(jié)省多達(dá) 90% 的用電。其他的產(chǎn)品也各有自己的優(yōu)點(diǎn)，其中包括低至 1µA 以下的電流以及高達(dá) 12V 的操作電壓等特色，而采用 SC70 封裝的納安 (nanoamp) 比較器則只有 6.6µS 的傳播延遲。  

美國國家半導(dǎo)體一直致力壯大高精度放大器系列的產(chǎn)品陣容，今次推出的 LMP7701 及 LMP7711 是該公司這方面的努力成果。這兩款芯片是該公司新一代運(yùn)算放大器系列的首兩個(gè)型號，具有性能更高、輸入偏置電壓低于 300µV、輸入偏置電壓保證低于 200fA、以及操作電壓高達(dá) 12V 等優(yōu)點(diǎn)。  

LMP7711 單組裝運(yùn)算放大器可以提供低電流 (50fA) MOS 輸入，但所產(chǎn)生的噪音仍然不會超過 7nV/sqrt Hz，這個(gè)優(yōu)點(diǎn)有助減少失真及信號調(diào)節(jié)錯(cuò)誤。由于這款放大器獲得高精度薄膜電阻及準(zhǔn)確匹配的晶體管配對為其提供支持，因此輸入電壓偏移錯(cuò)誤保證不會超過 200µV，共模抑制比 (CMRR) 又可提高至 95dB，而電源抑制比 (PSRR) 則可提高至 100dB。此外，即使這款芯片在 -40°C 至 125°C 的極端溫度情況下操作，其偏移電壓漂移 (TCVos) 仍可保持在 1µV/°C 的低水平。  

LMP7701 高精度放大器可以利用 2.7V 至 12V 的供電電壓操作，而且可以提供滿擺幅 CMOS 輸入，其輸入偏壓電流低至只有 200fA。工程師可以利用微調(diào)及設(shè)計(jì)技術(shù)徹底清除傳統(tǒng)滿擺幅輸入放大器常有的較大偏移錯(cuò)誤，以便改善輸入偏移電壓，使整個(gè)共模電壓范圍 (0V 至 12V) 內(nèi)的輸入偏移電壓不會超過 300µV。這款放大器芯片也采用已注冊專利的校正技術(shù)，以調(diào)低偏移電壓溫度系數(shù)，以 CMOS 高精度放大器為例來說，這個(gè)系數(shù)通常都很大。這兩款產(chǎn)品都采用 SOT23 封裝。  

LMV791 低噪音 CMOS 輸入運(yùn)算放大器的頻帶噪音只有 5.8nV/sqrt Hz，可說較為平坦。此外，這款運(yùn)算放大器的偏移電壓低至不足 1.3mV，而溫度系數(shù)則低至不足 3µV/°C，這兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)有助提高系統(tǒng)的整體準(zhǔn)確性。這款芯片的 PSRR 高達(dá) 100dB，而 CMRR 則高達(dá) 95dB，這兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)可確保直流電的表現(xiàn)符合高性能應(yīng)用的要求。此外，這款芯片的停機(jī)功能可將空閑模式的功耗減至 1µA 以下。LMV791 采用 6 引腳的 TSOT23 封裝。  

LMV651 芯片采用高效率的設(shè)計(jì)，操作時(shí)只耗用 115µA 的電流，比舊型號運(yùn)算放大器節(jié)省多 90% 的用電，但即使這樣，這款芯片仍可支持 12MHz 的單位增益帶寬，而中頻噪音電壓則低至只有 17nV/sqrt Hz。由于這款芯片擁有不足 1mV 的輸入偏移電壓、100dB CMRR 及 95dB PSRR 等優(yōu)點(diǎn)，因此可以在多種不同的輸入電壓及供電電壓情況下改善直流電系統(tǒng)的整體準(zhǔn)確度。LMV651 芯片采用 SC70 封裝。  

LPV511 微功率運(yùn)算放大器所需的供電不超過 900nA，而 LPV7215 微功率比較器則只耗用不超過 600nA 的供電電流。這兩款芯片都設(shè)有滿擺幅輸入及輸出。LPV511 芯片可在 2.7V 至 12V 的電壓范圍內(nèi)操作，而 LPV7215 比較器的操作電壓則介于 1.8V 與 5V 之間。LPV7215 芯片的傳播延遲只有 6.6µS，使這款芯片可以迅速發(fā)現(xiàn)是否有電壓錯(cuò)誤情況出現(xiàn)，一旦發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，芯片會立即將準(zhǔn)確的輸出響應(yīng)傳送到微控制器或其他系統(tǒng)診斷集成電路。這幾款芯片都采用 SC70 封裝，而且都可在 –40°C 至 +85°C 的溫度范圍內(nèi)操作，因此最適用于電池必須長期開啟的系統(tǒng)如煙霧探測器以及工業(yè)系統(tǒng)、電信設(shè)備及汽車電子系統(tǒng)。  

上述 6 款新產(chǎn)品都按照 VIP50 工藝設(shè)計(jì)。VIP50 是一種絕緣硅 BiCMOS 工藝技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是可以利用可微調(diào)而高度準(zhǔn)確的薄膜電阻改善生產(chǎn)，這是專為開發(fā)先進(jìn)模擬運(yùn)算放大器及比較器的工藝技術(shù)。美國國家半導(dǎo)體今后可以利用 VIP50 工藝設(shè)計(jì)一系列全新的高精度運(yùn)算放大器以及具有最高功率轉(zhuǎn)換效率的其他低電壓放大器產(chǎn)品。  

美國國家半導(dǎo)體的 VIP50 工藝技術(shù)背景資料  

VIP50 工藝  

VIP50 工藝是美國國家半導(dǎo)體獨(dú)家專有的全新絕緣硅 (SOI) BiCMOS 工藝技術(shù)，最適用于生產(chǎn)放大器芯片。目前已有多款采用 VIP50 工藝技術(shù)制造的放大器芯片產(chǎn)品，并計(jì)劃于 2005 年 9 月下旬上市。  

VIP50 是生產(chǎn)放大器芯片的專用工藝技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是可以確保放大器芯片能在 0.9V 至 12V 之間的供電電壓范圍內(nèi)操作，而高精度放大器常用的 +5V/-5V 標(biāo)準(zhǔn)直流電分裂式供電電壓以及普通鋰電池及鎳鎘電池的供電都在這個(gè)供電電壓范圍之內(nèi)。  

采用 VIP50 工藝技術(shù)制造的放大器芯片適用于體積小巧的電子消費(fèi)產(chǎn)品，而采用這種工藝技術(shù)制造的高精度放大器則適用于汽車電子系統(tǒng)、醫(yī)療設(shè)備及工業(yè)系統(tǒng)。  

VIP50 工藝技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)  

這種工藝技術(shù)有多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，比傳統(tǒng)的雙極或 CMOS 工藝技術(shù)優(yōu)勝。雙極元件內(nèi)含的都是高速垂直 NPN 及 PNP 晶體管。BiCMOS 工藝若添加垂直 PNP 晶體管，便可為放大器加設(shè)高度平衡的輸出級，確保放大器可以充分發(fā)揮速度/功率比的優(yōu)勢。  

·    金屬氧化半導(dǎo)體 (MOS) 的優(yōu)點(diǎn)  

雙極晶體管可與最低門長度為 0.5µm 的“模擬級”MOS 晶體管搭配一起使用。0.5µm 的 MOS 模塊不但可以調(diào)節(jié)不同性能以確?；ハ嗥ヅ洌€可抑制中低頻的噪音。對于 MOS 晶體管是信號路徑重要組成部分的系統(tǒng)來說，上述的兩個(gè)特色便顯得非常重要。添加了 0.5µm 的 MOS 模塊之后，工程師也可將更大量的混合信號技術(shù)及數(shù)字技術(shù)集成一起。  

·    減少不必要的寄生效應(yīng)及加強(qiáng)設(shè)計(jì)的可靠性  

電路內(nèi)部的不同部分都裝設(shè)于加設(shè)了絕緣硅 (SOI) 的圓片之上，然后以溝道互相隔離。這種隔離設(shè)計(jì)可將電路內(nèi)部產(chǎn)生的寄生電容減至最少，使放大器的速度/功率比可以進(jìn)一步提升至世界級的先進(jìn)水平。VIP50 工藝技術(shù)的隔離設(shè)計(jì)還有另一優(yōu)點(diǎn)，那就是即使信號電壓高于正極供電電壓及負(fù)極輸入電壓，放大器芯片仍可處理相關(guān)的信號。此外，由于不會出現(xiàn)漏電情況，因此即使在極高溫度之下操作，也不會對放大器的性能產(chǎn)生任何不利的影響，令這類放大器芯片的應(yīng)用范圍可以擴(kuò)大至工業(yè)應(yīng)用及汽車電子系統(tǒng)。  

·    更準(zhǔn)確可靠的設(shè)計(jì)  

用于高精度系統(tǒng)的集成電路都內(nèi)置電阻器，這是高精度芯片必須加設(shè)的關(guān)鍵裝置。VIP50 工藝可為這類芯片提供高度準(zhǔn)確的低溫度系數(shù)薄膜電阻，而且電阻匹配準(zhǔn)確度高于許多非內(nèi)置的高精度雙組裝電阻。VIP50 集成電路的準(zhǔn)確度可在圓片階段或封裝之后對薄膜電阻的調(diào)整而增強(qiáng)。由于這種工藝最適用于 3.3V 及 5V 的供電電壓，因此采用這種工藝制造的放大器芯片不但可以直接連接先進(jìn)的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，而且在信噪比方面還有極出色的表現(xiàn)。  

VIP50 工藝技術(shù)可以提高美國國家半導(dǎo)體產(chǎn)品的性能  

最先推出的幾款采用 VIP50 工藝制造的放大器產(chǎn)品具有高速度/功率比、低功率操作及高準(zhǔn)確度等優(yōu)點(diǎn)。  

可以減少不必要寄生效應(yīng)并內(nèi)置先進(jìn)垂直 PNP 晶體管的產(chǎn)品  

LMV651 運(yùn)算放大器的速度/功率比高于目前同類產(chǎn)品 10 倍以上。這款放大器芯片可提供 12MHz 的帶寬，而且只耗用 110µA 的供電電流。已成為業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的 LMV321 放大器則耗用 130µA 的供電電流，而且只提供 1MHz 的帶寬，相比之下，LMV651 芯片的速度/功率比高于 LMV321 約 15 倍以上，在同類產(chǎn)品之中，LMV651 的速度/功率比也最高，而且其偏移電壓低于 1mV，但所采用的 SC70 封裝則極為小巧，大小只有 2mm x 2mm。

設(shè)有可匹配 MOS 輸入這種先進(jìn)功能的產(chǎn)品  

LMP7701 芯片設(shè)有 MOS 軌到軌輸入級，而且有極高的匹配準(zhǔn)確度，不會像傳統(tǒng)的 CMOS 軌到軌放大器那樣經(jīng)常出現(xiàn)較大的偏移干擾。此外，這款芯片也可利用專利的校正技術(shù)調(diào)低偏移電壓的溫度系數(shù)，這是 CMOS 高精度放大器所無法做到的。LMP7701 芯片的輸入阻抗極高，而輸入偏移電壓則極低，而且無論在任何溫度之下，最高輸入偏移電壓都不會超過 300µV，因此是傳感器接口系統(tǒng)的理想解決方案。此外，這款芯片可以利用高達(dá) 12V 的供電電壓操作，因此一般的工業(yè)系統(tǒng)也可采用這款芯片。  

采用先進(jìn)的低噪音 MOS 輸入結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品  

LMV791 芯片雖然只有一個(gè) MOS 輸入級，但噪音仍可保持在較低的水平 (不超過 5.8nV/SqrtHz)，而且還可提供高達(dá) 14MHz 的帶寬。由于這款芯片有這些優(yōu)點(diǎn)，因此是高讀數(shù)準(zhǔn)確度光電傳感器的理想解決方案。LMV791 芯片可以利用低至 1.8V 的單一供電電壓操作。  

設(shè)有高匹配準(zhǔn)確度 MOS 晶體管、薄膜電阻及微調(diào)功能的另一高精度芯片  

LMP7711 芯片不但具有LMV791 各方面的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，而且還保證無論在任何溫度下輸入偏移電壓都不會超過 500µV，而輸入偏置電流則不會超過 100pA。此外，這款芯片也適用于交流電及直流電表現(xiàn)都有嚴(yán)格規(guī)定的系統(tǒng)，并保證其 TCVos 電壓必定符合要求。  

采用絕緣硅技術(shù)的產(chǎn)品  

LPV511 微功率運(yùn)算放大器及 LPV7215 微功率比較器只需不超過 900 nA 的供電電流，速度則比同類產(chǎn)品優(yōu)勝。這兩款芯片都可提供軌到軌的輸入及輸出。LPV511 芯片可在 2.7V 至 12V 的電壓范圍內(nèi)操作，而 LPV7215 芯片則可在 1.8V 至 5V 的電壓范圍內(nèi)操作。這兩款芯片都適用于以電池供電但必須長期開啟的電子設(shè)備。  

美國國家半導(dǎo)體將于 9 月推出一系列采用 VIP50 工藝技術(shù)制造的高精度及低電壓/低功率放大器產(chǎn)品，以上介紹的幾款芯片將會是最先推出的幾個(gè)型號。