運算放大器？有沒有弄錯？只比零散獨立封裝的電晶體高階些的運算放大器，類比運算電路中的最基礎的零件，與數位運算電路中的74系列邏輯閘IC同樣的基礎物，也如同機械中必用的螺絲，有需要特別重視與講究嗎？
運算放大器不僅基礎，而且年代久遠，打從真空管時代就已經存在，當時體積如磚塊般大，之後再從電晶體時代進展至積體電路時代，由Fairchild（快捷）公司的Robert J. Widlar先生於1965年發展出用IC型態的運算放大器：uA709，之後於1968年演進成更佳的uA741，即是今日最經典的741運算放大器（亦出於Widlar之手），直至現在都有業者在採用，同時也是全球電子電機學系於課堂及實習中的必用活教材、活示範。
即便是長青樹的運放算大器（Operational Amplifier；簡稱：運放、Op Amp、OPA），在歷經數十年的技術、市場變遷後，也必須以多元化發展來滿足更多樣的應用，通用（General Purpose）、產業標準（Industry Standard）性的OPA不再能完全遍行適用。
至於如何多元化發展？各家業者又有或異或同的看法，即便看法相同，具體定義上又有些微差異，因此以下我們將對OPA的新特性發展進行更多瞭解，希望對設計者在評估選用時有所助益。
圖說：Robert J. Widlar於1965年在Fairchild公司時發明了uA709的運算放大器，這是全球首顆以IC型態實現的運算放大器，之後Widlar轉至NS 任職，並於1991年2月27日逝世，享年53歲。此照片攝於1977年，圖中Widlar正在觀看LM10運算放大器的設計電路。（圖片來源： National.com）
高精度（Precision）發展
所謂高精密度是指OPA輸出結果（電壓信號）的精準度，一般是以偏移電壓（Vos， os＝Offset）為判定基準，NS（美國國家半導體）的定義是低於（以下皆含等於）1mV（毫伏）即屬高精度運放，而TI（德州儀器）的定義則是要低於0.5mV（即500uV）才算是高精度OPA，不過定義方向一致，只有程度之別。
至於MAXIM（美信），除了標榜高精度（Precision）也標榜低雜訊（Low-Noise），高精度方面也是以Vos為基準參數（Parameter），而低雜訊在此並非用信噪比（SNR）表示，而是以輸入端的每頻率開平方根之電壓變動率為準，單位為：V/root-Hz，或寫成V/rtHz，此值愈低愈佳。
高精度OPA的運用範疇很廣，在產業領域中可用於量測儀器、控制系統、HAVC（Heating, Ventilating, and Air Conditioning，加熱、通風、空調）、程序控制、資料擷取系統、ATE（Automatic Test Equipment，自動測試設備）等。在醫療領域中也有超音波、氣體分析、血壓計、診斷器、醫療影像系統等，此外汽車中的引擎管理、傳動系統管理，或實驗室內的測度計等，都需要運用上高精度的OPA。
附註：除Vos外，與輸出精度相關的因素還有溫度漂移時的輸出變化、以及供電抑制比（Power Supply Rejection Ratio；PSRR）、共模抑制比（Common Mode Rejection Ratio；CMRR），單位皆為dB，PSRR、CMRR愈高則抗雜訊能力也愈高。
圖說：Widler於1976年在NS公司時發明了LM10的運算放大器，LM10也屬長銷晶片，直至今天NS與其他業者都還有在生產販售LM10。（圖片來源：National）
高速（High Speed）發展
高速是以OPA的運作頻寬作決，這點各業者稍有默契，都認定50MHz以上者為高速OPA。
不過，這個定義似乎有些寬鬆，因為今日實際市場上的OPA高速競賽都已達GHz級水準，例如ADI（亞德諾）的AD8000可至1.5GHz，NS的LMH6624亦可至1.5GHz，TI的THS4304則是3GHz。
雖然運作頻寬是主要的考量，但也有些參數表現亦攸關高速運用，例如增益頻寬（Gain Bandwidth，GBW）及轉換率（Slew Rate；SR），GBW多以MHz為單位，SR則多以V/uS（每微秒可變動幾伏特電壓）為單位，兩者皆是愈高愈佳，SR愈高愈能立即忠實表現輸出電壓的變化，若SR偏低則輸出電壓的振幅劇烈改變時就無法立即忠實反應，此與動態範疇（Dynamic Range）的道理異曲同工。
而高速OPA多半用在何處呢？主要是在高速線路的驅動傳輸（如xDSL傳輸），或是用於影像訊號的放大器（Amplifier）、緩衝器（Buffer），或者是主動式濾波器（Active Filter），以及在傳送給類比數位轉換器（Analog Digital Converter；ADC）前的信號處理，和各式介面的增益功效等。
圖說：1999年NS發表全世界體積最小的運算放大器晶片：LMC6035，該晶片內有2組運算放大器，並採行近乎裸晶尺寸的Micro SMD封裝，圖中可見在小小的圖釘頂端就足以放置3顆Micro SMD封裝的晶片。
低電壓（Low Voltage）、低用電（Low Power）
低電壓與低用電（或稱低功率、低功耗）並不見得是同時要求，有時只要低電壓而不需要低用電（如因應感測器送來的微弱電壓信號），但低用電幾乎也會是低電壓，即是低用電不僅要求運作電壓（Vs，s＝ Supply）的準位要低，還會要求靜態漏電流（Iq，q＝Quiescent）也要低。
對於低電壓的認定，業者間也有不同程度的認知，TI方面以供應電壓低於2.7V為低電壓OPA，靜態漏電流以小於1mA為低用電，NS方面則是以低於2.5V為認定，靜態漏電流則以少於500uA為基準，另外也要求供應電流須小於0.5mA。
OPA 之所以會有往低電壓、低用電專精發展的取向，最主要的需求趨力是來自行動應用，例如筆記型電腦、個人數位助理等的內部麥克風之前置放大器（pre- amp）、音效等化器、耳機放大器、行動電話的無線射頻（Radio Frequency；RF）功率放大控制、電池感測、濾波器、電壓比較電路等。
附註：行動可攜裝置的音效前級放大多半是用低電壓、低用電的運算放大器（信號放大），而其後級放大則多半用D類放大器（功率放大），部分D類放大器已經內含前置放大的功效，關於D類放大器可參考拙作：「掌握」D類音效功率放大器（Class D Audio Power Amplifier），網址為http://www.digitimes.com.tw/n/article.asp?id= DC37207A58CA265D48257023004B9584
圖說：Fairchild今日依然提供KA741的運算放大器晶片，簡單的8-pin接腳內提供一個運算放大器，最大可接受正負18V的運作供電，輸入端偏壓電流最大為0.8uA。
其他各式要求
高精度、高速、低壓、低用電是OPA多元、專精發展的主趨，但除此之外也有其他要求，例如需要較寬裕的供應電壓範疇，能於正負5V∼正負20V區間運用，或者只要正向供應電壓而不需要負向供應電壓，或可自行規劃增益（Programmable Gain Amplifier），或高電流輸出（High Output Current Amplifier），或低偏壓電流（Low Bias Current Amplifier）等。
另外有時也會同時多項要求，例如既要高精度又要低用電，既要低電壓又要高增益頻寬等。此外也有對用電更加嚴苛要求的微用電（uPower，u＝Micro）型OPA，或者要求信號擺幅與供電電壓的高低限盡可能一致的軌對軌（Rail-to- Rail）輸出、輸入要求，不勝枚舉。
圖說：運算放大器其實也是由多個電晶體、電阻、電容所組構成，圖為一個741運算放大器的組成電路。
通用型OPA
前述都是針對各參數專精發展的OPA，而原本最基礎的通用型（General Purpose）OPA難道就此沒出路了嗎？
從市場角度看似乎不是如此，通用型依然是各式OPA中用量、出貨量最高的一種，不過通用型早已成熟多年，以致價格低廉，總產量上雖是第一，但總營收金額上卻位居第二，但也依然相當可觀。
那麼，通用型OPA就沒有強化目標嗎？答案為否，通用型也有它持續努力的幾個方向，持續供價的低廉是其一，其他還有追求更嬌小的封裝型態、單一封裝內整合更多的放大器通道（Channel，但也指在單一封裝內納入更多個OPA），或可透過外部控制來個別開關某些通道（更細膩的用電管理），另外也要讓內建的多個OPA在同時運作時能盡量不相互干擾。
圖說：NS發表GHz級的高速運算放大器：LMH6703，使用NS的VIP10高速製程，使其頻寬可至1.2GHz，同為GHz級的LMH6704具有可程式化的增益緩衝器，可使信號更精準、穩定。高速OPA適合用於視訊、測試、偵測、及其他產業領域的應用。
結論
OPA的各種新發展取向是以性能參數為基準，但對電子設計者而言，要同時考量、比對一到多個參數才能選定一個OPA組件，實在是很累人，即便各業者的官方網站多已提供參數排序的功能以加速合用組件的找尋，但其效率提升依舊有限。
除了官方網站的搜尋排序外，在此建議也可以參考各業者所提供的選擇指引（Selection Guide）文件，文件中會教導業者自身對OPA晶片的編號規則，以TI為例，TLV為低電壓，THS為高速，TLE為寬裕的供電電壓範疇等，或如30、 31是指電流迴授，40是指電壓迴授，41、45是指完全差動等，如此設計者可從晶片編號規則中快速尋得大方向，然後才進行更細部的考量，如是否有關閉模式（Shutdown Mode，讓OPA閒置未用時可更省電），封裝型態與接腳數目（如WCSP、SOP23）等。
或者，也有業者在網站上提供線上設計工具（Online Design Tools），如NS的WEBENCH，透過Step-by-Step的設計要項選擇，最後結果就會列出能符合此次設計需求的各式OPA組件編號，設計者只要專注在設計規格的訂立，並將組件合用條件的搜尋篩選工作交給線上設計工具自動運算產生，省去人工研判比對評估的煩人工作。
最後，上述的這些專精型OPA，其實依然是相當應用中立性的設計，事實上各業者也針對已具大量規模的應用而提出對應的應用型晶片，其晶片內的主要本體電路也依然是 OPA，更嚴格說即是所謂的ASSP（Application-Specific Standard Product，應用規格標準化晶片），例如針對高速差動視訊信號輸出的晶片、針對光學儲存收發傳輸的晶片（如雷射二極體驅動晶片，Laser Diode Driver）、以及耳機聽筒用晶片（如麥克風信號處理、無線射頻偵測RF Detect、時脈緩衝器Clock Buffer等）。
若為此類大宗應用，則直接從ASSP方向考慮會更快速，且可縮短設計時間及電路面積，理由是ASSP整合度高，比使用多個離散封裝組件來組兜實現更省空間，同時信號在ASSP晶片內傳遞較好控制，受雜訊干擾小，並已經過業者驗證。總之，各種方式都有助於設計者依情況與需求而快速選定專精合用的OPA方案。
圖說：NS於2004年發表全世界最薄的封裝，僅有4張辦公用紙的厚度：0.4mm，適合用在超薄型手機、平面顯示器、PDA、MP3隨身聽與其他裝置，同時NS以此封裝發表2款放大器麥克風，日後電源管理晶片、無線晶片、及其他類型的晶片也都將採行此種「薄紙級」封裝。 |
發表於 2005-7-22 17:29:33
發表於 2007-2-28 20:46:57