低噪聲視頻運算放大器的研究現狀及發展趨勢

尤其偉　丁召　馬奎

摘? 要： 低噪聲視頻運算放大器因其低噪聲、高速寬帶特性被廣泛應用于視頻設備中。文章介紹了低噪聲視頻運算放大器的發展簡史及激光修調電阻技術。通過對比BJT、CMOS、BiCMOS、SOI和GaAs各種工藝的優缺點，結合國內外低噪聲視頻運算放大器的發展現狀，對其發展趨勢進行了展望。

關鍵詞： 視頻運算放大器; 低噪聲; 高速互補雙極型工藝; 修調電阻

中圖分類號：TN431.1? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1006-8228（2022）03-41-04

Abstract： Low noise video operational amplifiers are widely used in video equipment owning their characteristics of low noise， high-speed broadband. This paper introduces the development history of low noise video operational amplifier and the technology of laser trimming resistance. By comparing the advantages and disadvantages of BJT， CMOS， BiCMOS， SOI and GaAs manufacturing processes， and combined with the development status of low-noise video operational amplifiers at home and abroad， the development trend is prospected.

Key words： video operational amplifier; low noise; high-speed complementary bipolar process; trimming resistance

0 引言

隨著短視頻和直播行業的興起，市場對視頻設備的需求量越來越多，而且對視頻拍攝質量的要求也越來越高。運算放大器是視頻信號處理系統的關鍵部分之一，常常被應用在攝像機、視頻監控、可視化門鈴、汽車駕駛員輔助系統成像等方面[1]。在這些應用場景中，由于所布設的信號傳輸線路比較長，會導致視頻信號衰落，播放出來的圖像效果變差，所以在一定的距離后加一個放大器電路將原視頻信號保持高質量推送就變得十分重要。而運放的高增益、低損耗特性正好適用于信號放大，所以，對視頻信號的處理需要用到運算放大器來對其進行緩沖放大或調制處理[2]。這些視頻設備要求運算放大器具有低噪聲、高速、寬帶、低失真、驅動能力強等特點。而通用型運算放大器卻面臨噪聲高、轉換速率低、帶寬窄等困難，這使得通用型運算放大器無法應用于視頻設備中。因此，低噪聲視頻運算放大器應運而生。本文對低噪聲視頻運算放大器進行分析討論。

1 低噪聲視頻運算放大器特性

與一般的運算放大器相比，視頻運算放大器主要是對視頻信號進行緩沖放大處理。視頻信號是由亮度信號和彩色信號組成，世界上第一種彩色電視制式是由美國開發的，美國國家電視制式委員會（National Television System Committee，NTSC）制定了這一彩色電視傳輸標準。NTSC制式的電視標準，它的視頻帶寬為4.2MHz。其中，由于人類眼睛對亮度的空間和時間變化最為敏感，亮度信號覆蓋了全部的可用視頻帶寬（0～4.2MHz）。而眼睛對彩色信號沒有那么敏感，所以彩色信息需要較少的帶寬，其采用3.58MHz的色負載波進行傳輸。正是因為視頻信號的寬帶特性，所以視頻運算放大器對-3dB帶寬指標要求很高[3]。

視頻運算放大器必須達到一定的頻帶寬度和轉換速率[4]。運算放大器的帶寬用來衡量一個放大器能處理信號的頻率范圍，當帶寬越寬時，能處理的輸入信號的頻率也就越高，整個電路的高頻性能也就越好，如果帶寬不夠的話，運算放大器在處理高頻信號時就容易導致信號失真。當輸入信號為小信號時，通常用-3dB帶寬來表示帶寬性能;當輸入信號為大信號時，一般用壓擺率（即轉換速率）來衡量帶寬性能。一般來講，視頻運算放大器的-3dB帶寬高于50MHz，壓擺率高于80V/μs。

視頻運算放大器隨著高分辨電視技術的發展，其對視頻信號進行高精度和無失真放大的要求也越來越高。視頻運算放大器還需要具有出色的低噪聲和低失調性能[5]。在綜合各方面要求之后，人們對視頻運算放大器的特性要求做了一些歸納，如表1所示。其中，在f=10kHz的等效輸入電壓噪聲要低于10nV/[Hz]，最大輸入失調電壓[Vos]要低于2mV，共模抑制比和電源抑制比要高于100dB。

2 低噪聲視頻運算放大器的發展簡史

在晶體管廣泛使用之前，運算放大器是用電子管制造的。20世紀50年代出現了工作電壓較低的小型電子管，但運算放大器的體積和建房用的磚頭差不多大小，因此當時的運放模塊有個俗名叫“磚塊”。

20世紀50年代末期，模擬工程師們開始研發集成電路。60年代中期，仙童公司（Fairchild）推出μA709，這是第一種在商業上獲得成功的集成運算放大器。這是第一代集成運算放大器，采用BJT工藝制造，使用了微電流恒流源，共模負反饋等電路，它們能夠達到中等精度的要求。

第二代集成運算放大器以μA741為代表，它的重要特點是采用有源負載代替了集成電阻，從而極大地提高了開環增益。在電路結構上，采用輸入級、中間放大級、輸出級三級放大的模式[6]。輸入級一般采用差分輸入級來抑制共模信號和零點漂移，輸出級使用互補推挽放大器電路形式，用來獲得較高的輸出功率和效率[7]。電路中還有短路保護措施，但是用來防止自激振蕩的校正措施比較簡單。

第三代集成運算放大器以AD508為代表，其重要特點是在輸入級使用了電流放大系數特別大的超β管，在提高電流和電壓放大倍數的同時，極大地減小了運算放大器的失調。第三代產品還使用了鉻-硅電阻和激光修調技術[8]，修調工藝直接影響了修調的精度，這其中最為關鍵的一個因素就是切割形式，它決定了修調的速度和修調后電阻的質量等[9]，切割形式如圖1所示。

第四代集成運算放大器以HA2900為代表，其采用目前相對先進的結構，如斬波穩零技術，成為自穩零運算放大器。其制造工藝達到了大規模集成電路的水平，輸入級采用MOS場效應管。集成運算放大器的性能也隨著更新迭代的工藝水平不斷提高。

隨著對視頻信號緩沖放大的質量要求越來越高，市場出現了低噪聲視頻運算放大器。20世紀90年代，ADI公司推出了AD810，代表著國外在視頻運算放大器的研究技術方面趨于成熟。AD810是一款適合用于HDTV（High-definition Television）的低噪聲視頻運算放大器，非常適合在多媒體和攝像機等系統中使用。隨后發展出的低噪聲視頻運算放大器有AD828、LT1675、AD8045等眾多型號，這些運算放大器都具有出色的視頻性能。

3 低噪聲視頻運算放大器的工藝

模擬集成電路的根基在于工藝，工藝的進步極大地推動了集成電路的發展。伴隨著新工藝的不斷涌現，可以將集成電路的制作工藝分為BJT（Bipolar Junction Transistor）、CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）和BiCMOS（Bipolar Junction Transistor and Complementary Metal Oxide Semiconductor Transistor）。各種工藝的優缺點如表2所示。

目前CMOS工藝已經成熟地應用于集成電路中，臺積電的5nm CMOS工藝平臺已經開始投產。雖然CMOS工藝具有高集成度、低功耗、低成本等特性，但是雙極型工藝在噪聲性能和匹配性上有著CMOS工藝無法相比的優點，其高速性能可以用來制作如視頻運算放大器之類的專用型運算放大器。雙極型工藝在高精度、高增益、高穩定度方面繼續發揮著它的優勢，尤其在軍工產品方面，具有不可替代性。

在設計低噪聲視頻運算放大器時，主要考慮到在處理視頻信號時對速度和帶寬的要求。所以在選擇工藝時，需要選擇寄生電容較小、特征頻率較高的工藝。當寄生電容越小、特征頻率越高時，運算放大器能處理的信號頻帶就越寬，電壓轉換速率就越大[10]。綜合視頻運算放大器對高速寬帶的要求，一般選擇標準高速互補雙極型工藝進行電路設計。該種工藝的有源元件有VPNP（縱向 PNP管）、PNP（橫向PNP）、NPN。無源元件有電感、多晶硅電阻、MIS電容。同時，針對電路可靠性方面，該種工藝還提供了標準的鍵合點單元以及防靜電保護（Electro-static Discharge，ESD）單元。另外該種工藝可以提供三層鋁線，在版圖設計時可以更好地對元件進行布局，增加了元件集成度，減小了芯片面積。

4 國內外研究現狀分析

模擬集成電路中，TI、ADI、英飛凌、意法半導體等歐美公司起步最早，研發的產品線廣、產品性能優越，一直占據著全球模擬IC中絕大部分的市場份額[11]。在低噪聲視頻運算放大器領域中，凌特公司（現已被ADI收購）推出了增益帶寬積高達4GHz、偏置電流達到飛安量級的LTC62系列運放。ADI公司是行業的領軍者之一，其推出的ADA4807系列產品，具有低噪聲特性，當頻率為100kHz時，輸入電壓噪聲為3.1nV/[Hz];具有直流精度的高速性能，-3dB帶寬為180MHz，壓擺率為225V/μs，0.1%建立時間為47 ns，輸入失調電壓為125μV;具有高輸出驅動能力，輸出電流最小為50mA，適合驅動后部端接電纜。

國內對低噪聲視頻運算放大器的研究起步比較晚，目前隨著芯片國產化進程加快，國內的一些公司也取得了巨大的進步。如北京圣邦微電子公司于2019年推出的SGM8061/SGM8062/SGM8063系列芯片，具有低噪聲特性，當頻率為1MHz時，輸入電壓噪聲為5.6nV/[Hz];具有優秀的高速性能，-3dB帶寬為500MHz，壓擺率為420μV/s，0.1%建立時間為16ns;具有高輸出驅動能力，輸出電流最小為100mA，適合用在專業的視頻設備中。目前國內的很多相關產品使用的是BJT工藝，相比于其他的工藝，其器件尺寸更大，較難滿足商業電路的集成。同時許多低噪聲視頻運算放大器產品無法批量生產，還停留在實驗室階段。所以按照國內外研究水平的橫向比較，國內低噪聲視頻運算放大器還不成熟，處于追趕行業龍頭的地位。

5 未來發展趨勢

隨著短視頻和直播等行業的發展，對視頻設備的需求量日益增多，國家也正在加大對集成電路行業的支持力度。國內低噪聲視頻運算放大器的性能將得到提升，并終將實現產品的國產化。

未來，低噪聲視頻運算放大器將會越來越多地被使用在攝像機、視頻監控、汽車駕駛員輔助系統成像等應用上。一方面，隨著以單電源、低電壓為特征的便攜式設備的普及，對運算放大器傳統的雙電源供電方式和供電電壓提出了挑戰;另一方面，隨著人們對視頻信號傳輸質量的要求不斷提高，對視頻運算放大器的噪聲性能和直流精度提出了挑戰[12]。

市場對移動端產品的需求量將會不斷增大，低噪聲視頻運算放大器的發展將迎合市場的這一特點。市場的潛力促進了視頻運算放大器在保持高速寬帶特性的同時，往低噪聲、低失調、低功耗等性能方面發展[13]。同時，這也對模擬電路設計師和芯片生產廠商提出了新的挑戰。在研制過程中，也要盡可能地兼顧視頻運算放大器的可靠性與經濟成本。更低的噪聲、更小的失調、更高的性價比，將成為下一代視頻運算放大器設計的焦點。

6 結束語

隨著工藝節點不斷向前發展，先進的工藝技術使得芯片的集成度更高、性能更好。在未來，采用具有更低的寄生電容和更高的特征頻率的工藝將會使得視頻運算放大器的高速寬帶性能變得更好[14]。同時，在低噪聲視頻運算放大器上運用激光修調，斬波穩零等技術提高了設計的直流精度。本文介紹了低噪聲視頻運算放大器的用途和特性，回顧了其發展簡史，并了解了其制作工藝。通過對國外和國內低噪聲視頻運算放大器產品的比較，認識到了與國外行業龍頭的差距，這對于提升我國視頻運算放大器領域的水平和產品性能具有重要意義。

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