Table of Contents

Введение: Переход к CMOS в аналоговом дизайне

Операционный усилитель остается краеугольным камнем конструкции аналоговых схем, появляясь во всем, от звуковых путей сигнала до точных медицинских инструментов и высокоскоростных преобразователей данных. В течение десятилетий выбор между биполярным транзистором перехода (BJT) и дополнительными этапами ввода металл-оксид-полупроводник (CMOS) был определяющим решением, которое установило границы производительности. Биполярные операционные усилители заработали свою репутацию для низкого шума и высокой пропускной способности усиления в более ранних системах, но растущий спрос на портативную, энергоэффективную и высокоинтегрированную электронику подтолкнул отрасль к операционным усилителям CMOS. В этой статье рассматриваются конкретные преимущества, которые делают операционные усилители CMOS предпочтительным выбором в современной схеме проектирования, признавая нишевые приложения, где биполярные устройства все еще превосходят.

Основные архитектурные различия: BJT против этапов ввода MOSFET

Производительность любого рабочего усилителя обратной связи по напряжению начинается с его входной стадии, которая определяет ключевые параметры, такие как ток смещения входа, шум напряжения, напряжение смещения и диапазон общего режима. Основополагающая полупроводниковая технология - биполярная или CMOS - формирует электрические характеристики всего устройства.

Биполярные характеристики стадии входа

Биполярные входные стадии полагаются на NPN или PNP транзисторы, смещенные в активную область. Эти устройства с контролем тока требуют небольшого базового тока для регулирования тока коллектора. Этот базовый ток появляется как конечный входной ток смещения, обычно варьирующийся от наноампер до микроампер для прецизионных компонентов, протекающий либо в, либо из входных терминалов. Транспроводность (g ]m ) биполярного транзистора прямо пропорциональна току коллектора, что позволяет ранним конструкциям оп-ампера достигать высокого усиления открытого цикла и значительной полосы пропускания. Производительность шума накала может быть исключительной — значения ниже 1 нВ/Гц являются достижимыми, потому что шум выстрела, связанный с током коллектора, остается управляемым на уровнях умеренного смещения. Однако связанный с ним ток тока становится ограничивающим фактором с высоким импедансом источника, а сам входной ток смещения создает падения напряжения по этому импедансу, обычно в диапазоне мегом, и их

CMOS Input Stage Characteristics (характеристики входного этапа)

На этапах ввода CMOS используются комплементарные пары p-канальных и n-канальных MOSFET. Эти устройства с контролируемым напряжением имеют слой затвора, который обеспечивает исключительно высокое входное сопротивление постоянного тока - эффективно бесконечный для практического анализа схемы. Входной ток ограничен утечкой через оксид затвора и через структуры защиты электростатического разряда (ESD), часто измеряемые в фемтоампах при комнатной температуре. Этот ток смещения с почти нулевым входом является определяющим преимуществом CMOS-операторов. Транспроводность MOSFET по своей сути ниже, чем у биполярного транзистора для данного тока слива, что исторически приводило к снижению коэффициента усиления и цепных технологий, таких как повышение коэффициента усиления и многоступенчатые топологии, значительно сократили этот разрыв производительности. CMOS-транзисторы демонстрируют более высокий мерцающий (1/f) шум из-за захвата состояний на интерфейсе оксида кремния, но стабилизированные и автоматически нулевые архитектуры теперь обеспечивают точность постоянного тока в диапазоне микровольт. Ключевой активатор

Потребление энергии и тепловое управление

Эффективность энергопотребления часто определяет целесообразность портативных, удаленных и носимых электронных систем.Работающие усилители CMOS обеспечивают явное преимущество в управлении покоящимся током и динамическим поведением мощности.

Покоящиеся токи и статическая сила

В биполярном транзисторе ток смещения коллектора напрямую привязан к транспроводности. Для достижения определенной полосы пропускания и скорости разряда входная и последующая стадии усиления должны быть смещены на уровнях тока, которые масштабируются с требованиями нагрузки и частоты. Этот спокойный ток непрерывно течет, генерируя тепло и дренажные батареи даже в условиях простоя. Хорошо спроектированный оп-ампер CMOS работает со значительно более низким током покоя, потому что MOSFET не требует постоянного тока затвора, а подпороговая область может использоваться для работы со сверхнизким энергопотреблением. Современные наноэнергетические усилители CMOS потребляют всего несколько сотен наноамперов тока питания при сохранении полезной продукции с пропускной способностью усиления до нескольких десятков килогерц. Это делает их идеальными для всегда включенных буферов датчиков и энергосберегающих платформ, где бюджеты микроамперов являются стандартными.

Динамическая мощность и субпороговая операция

Логические схемы CMOS потребляют энергию в основном во время переходов переключения, и подобный принцип применяется к аналоговым схемам CMOS, работающим в коммутируемых конденсаторах или прерывистых режимах. Стадии вывода в оп-ампах CMOS обычно представляют собой структуры класса-AB с толкающим тягой, которые обеспечивают ток по требованию, уменьшая искажение кроссовера без спокойствия над головой биполярного выходного этапа класса-A. Эта эффективность непосредственно продлевает срок службы батареи в слуховых аппаратах, фитнес-трекерах и беспроводных узлах датчика. Возможность питания секций усилителя через включения штифтов - неотъемлемая особенность многих процессов CMOS - добавляет дальнейшее управление энергией, которое сложнее реализовать в чистых биполярных потоках.

Целостность сигнала и взаимодействие с высокой скоростью

Импеданс ввода напрямую влияет на то, как операционный усилитель взаимодействует с источником, который он измеряет или буферизирует. Оп-ампы CMOS устанавливают высокий стандарт входного сопротивления, сохраняя верность сигнала в чувствительных измерительных цепях.

Минимизация ошибок при загрузке в сенсорных системах

Такие датчики, как зонды pH, пьезоэлектрические акселерометры, фотодиоды и емкостные устройства MEMS, могут иметь импедансы источника в диапазоне от сотен килоомов до гигаомов. Если входной ток смещения усилителя слишком высок, он генерирует офсетное напряжение, равное IBIAS × R, которое может перегружать нужный сигнал. Входные токи фемтоампа оп-ампа CMOS в сочетании с входным сопротивлением тера-ома делают эти ошибки загрузки незначительными. Например, примечание приложения Texas Instruments на усилителях трансимпеданса Texas Instruments позволяет точно преобразовывать сигнал фотодиода без необходимости использования защитных колец при умеренных температурах. Эта возможность снижает стоимость билля материалов и упрощает раскладку печатной платы.

Сохранение верности сигнала в многоступенчатых проектах

Даже когда источники не достигают гигаомного диапазона, высокое входное сопротивление означает, что усилитель вытягивает незначительный ток с предыдущей стадии. Это имеет решающее значение в многоступенчатых активных фильтрах и драйверах аналого-цифрового преобразователя (ADC), где поддержание уровня сигнала и линейности имеет важное значение. Оп-ампы CMOS могут быть сконфигурированы как буферы с единым усилением без беспокойства о дрейфе тока смещения по температуре, упрощая процедуры калибровки в системах точного сбора данных. Низкая входная емкость современных устройств CMOS дополнительно снижает фазовый сдвиг в высокочастотных петлях обратной связи.

Интеграция систем и преимущества смешанного сигнала

Развитие технологии CMOS тесно связано с возможностью полупроводниковой промышленности интегрировать различные функции на один чип. Оп-ампы, встроенные в CMOS, естественным образом вписываются в эту интегрированную экосистему.

Монолитная интеграция и эффективность «умирающей зоны»

Микроконтроллеры, цифровые сигнальные процессоры и программируемые на полевых условиях воротные массивы производятся на продвинутых узлах CMOS. Встраивание операционных усилителей вместе с цифровым ядром устраняет межчиповые межсоединения, уменьшает площадь ПХД. Эта интеграция распространена в конструкциях систем на чипе (SoC) для смартфонов, где аудиокодек, сенсорный контроллер и концентратор датчиков все используют оп-ампы CMOS на кристалле. Шум переключения, генерируемый цифровой логикой, представляет собой проблему, но тщательная конструкция защитного кольца, дифференциальная сигнализация и отсоединение на чипе позволили CMOS смешанного сигнала стать зрелой технологией. Руководство Analog Devices по проектированию смешанного сигнала объясняет, как современные процессы CMOS позволяют аналоговым макросам сосуществовать с миллионами логических ворот при достижении 12-16-битной аналоговой точности.

Цифровая калибровка и обрезка схем

Оп-амперы CMOS легко включают в себя энергонезависимую память на чипе и цифровые преобразователи для калибровки смещения и усиления. Лазерная обрезка, обычно используемая в биполярных процессах, требует специальных этапов после сборки. С помощью CMOS цифровой двигатель может измерять смещение входного сигнала оп-ампа во время окончательного испытания и программировать код коррекции в регистр, достигая смещения на уровне микровольта в полном температурном диапазоне. Эта функция снижает затраты на производство и улучшает долгосрочную стабильность, поскольку калибровка может быть обновлена при включении питания, компенсируя эффекты старения, которые труднее устранить в чисто аналоговых биполярных системах.

Анализ шума и стратегии смягчения

Спецификации шума часто являются основной точкой сравнения между технологиями усилителей. Биполярные операционные усилители обычно предлагают более низкую плотность шума напряжения, но полный анализ шума должен включать текущий шум и конкретную схему приложения.

Усилители CMOS демонстрируют более высокий шум мерцания на низких частотах из-за явлений захвата заряда в оксиде затвора. Оп-ампы CMOS, стабилизированные на спуске с помощью переключения на высокочастотный носитель, усиливая его в области, свободной от 1/f шума, а затем демодулируя его обратно в DC. Результатом является устройство, чей шум входного напряжения от 0,1 Гц до 10 Гц может конкурировать с шумом лучшего биполярного высокоточного оп-ампера. Компромисс включает небольшое увеличение потребления тока и наличие измельчающих часов, что может потребовать фильтрации для удаления остаточной ряби. Для таких приложений, как мосты с натяжным калибром и усилители термопары, этот компромисс обычно на порядки ниже, чем у биполярного оп-ампера. В конфигурации с большим резистором обратной связи общий шум выходного сигнала часто доминирует шум резистора Джонсона и шум входного напряжения оп-ампа; незначительный шум тока передней части CMOS удаляет значительный шум, который присутствовал бы при биполярной стадии

Гибкость напряжения и выходное свинг

Современная электроника часто работает при напряжении питания ниже 3,3 В, часто питается от одноклеточных литий-ионных или монетных батарей. Оп-ампы CMOS по своей сути хорошо подходят для поддержки работы ввода и вывода рельсов, обеспечивая полное напряжение питания в качестве полезного динамического диапазона.

Топологии железных дорог для низковольтных систем

Биполярные транзисторы требуют минимального запаса хода — часто превышающего 0,7 В — чтобы оставаться ненасыщенным, что ограничивает доступный качание сигнала в низковольтных системах. Дополнительные выходные стадии CMOS могут качаться в пределах десятков милливольт рельсов питания, максимизируя отношение сигнал-шум и упрощая конструкцию цепей драйверов ADC. Стадии ввода от железной дороги к рельсам, построенные с дополнительными парами дифференциала PMOS и NMOS, вмещают сигналы, которые распространяются на землю и положительную рельсовую систему — почти обязательная функция для однопоставочного портативного оборудования. Примечание к приложению STMicroelectronics на оп-ампах CMOS от рельса к рельсам предоставляет примеры проектирования, которые используют эту способность полного качения для устранения генераторов отрицательного предложения и ступеней сдвига уровня.

Расширенный диапазон Common-Mode

Многие оп-ампы CMOS указаны в диапазоне поставок от 1,8 В до 5,5 В, а высоковольтные расширения процесса CMOS позволяют работать от 1,8 В до 36 В. Эта гибкость позволяет одной модели усилителя служить как в портативных устройствах малой мощности, так и в промышленных датчиках, работающих на 24 В рельсах. Биполярные конструкции часто требуют более адаптированных вариантов процесса для покрытия такого широкого диапазона, что усложняет управление запасами и квалификационные процессы.

Экономика производства и масштабируемость

Производственные мощности CMOS доминируют над глобальными производственными мощностями полупроводников, и аналоговые модули, встроенные в эти процессы, выигрывают от этого масштаба.

Использование передовых CMOS-узлов

Каждый новый узел технологии CMOS обеспечивает меньшие размеры транзисторов, повышенную цифровую плотность и более низкое энергопотребление на затвор. В то время как аналоговые транзисторы не масштабируются так агрессивно, как цифровая логика - производительность аналога часто зависит от площади затвора и соответствия - способность встраивать операционные усилители в 65 нм, 40 нм или более тонкие узлы вместе с большими цифровыми подсистемами создает значительное значение на уровне системы. Объединенная стоимость кристалла микроконтроллера с интегрированными операционными усилителями, эталоном и ADC намного ниже, чем многочиповое решение с использованием дискретных биполярных операционных усилителей. Эта интеграция также повышает надежность за счет уменьшения припоевых соединений и межсоединений.

Стоимость владения и выгоды цепочки поставок

Установленная база установок по производству пластин CMOS намного превышает базу специализированных дополнительных биполярных или BiCMOS-объектов. Производство в больших объемах снижает стоимость пластин, а возможность повторного использования тестовой инфраструктуры на миллионах единиц еще больше снижает накладные расходы. Дискретные операционные усилители CMOS выигрывают от этой структуры затрат, часто снижая биполярные эквиваленты в цене, обеспечивая сопоставимые или превосходные спецификации во многих категориях.

Надежность, стабильность температуры и экологическая устойчивость

Оксиды затвора MOSFET по своей природе прочны при правильной защите с помощью ESD-структур на чипе. Высокое входное сопротивление существенно не ухудшается по сравнению с температурой или радиационным воздействием, что делает операционные усилители CMOS привлекательными для применения в аэрокосмической, автомобильной и высокоэнергетической физике.

Gate Oxide Integrity и производительность утечек

По мере сокращения геометрии процесса CMOS толщина оксида затвора уменьшается, что может привести к увеличению токов утечки затвора. Передовые технологии производства, включая использование диэлектриков с высоким К и металлических затворов, эффективно контролировали эти пути утечки, позволяя современным опам CMOS поддерживать свои характерные токи смещения входного сигнала на уровне фемтоампа даже при повышенных температурах. Эта надежность является результатом десятилетий уточнения процесса, обусловленного цифровой полупроводниковой промышленностью.

Производительность в экстремальных температурных условиях

Схемы CMOS могут быть разработаны для работы в широком температурном диапазоне, от криогенных условий до 225 ° C, путем регулировки допинг-профилей и использования подложек кремниевых на изоляторах (SOI). CMOS-op-amp на основе SOI используются в буровых приборах с забойной скважиной, где тепловой шум и утечка должны управляться при 200 ° C - область, исторически рассматриваемая экзотическими биполярными процессами. Внутренняя изоляция, обеспечиваемая технологией SOI, снижает чувствительность к защелкиванию и улучшает высокотемпературные характеристики, расширяя диапазон применения для усилителей CMOS.

Домены приложений и лучшие сценарии

Хотя операционные усилители CMOS часто являются лучшим выбором для современных конструкций, ни одна технология не является оптимальной для каждого приложения.

Где биполярное расстройство держит край

В высокоскоростных усилителях обратной связи тока и широкополосных видеодрайверах биполярные процессы сохраняют преимущество, поскольку по своей сути более высокие gm позволяют создавать более широкие полосы пропускания при заданном похолоданием токе. Биполярные операционные усилители также имеют тенденцию обеспечивать более низкий уровень шума напряжения широкополосного диапазона ниже 1 нВ/Гц без необходимости резки, что выгодно в приложениях с низким уровнем напряжения, таких как предусилители фонографа с движущейся катушкой или прямые радиочастотные выборки передних концов. При движении тяжелых резистивных нагрузок или кабелей, биполярные выходные стадии могут испускать и поглощать большие токи с надежной защитой короткого замыкания. Число приложений, где эти преимущества являются обязательными, продолжает сокращаться, поскольку процессы CMOS включают кремниево-германийные гетеропереходные биполярные транзисторы (BiCMOS) для высокоскоростных блоков при сохранении CMOS для вспомогательных функций.

Прецизионное и сенсорное доминирование CMOS

Сегодняшние оп-ампы CMOS, усиленные методами автоматического нуля и вертолета, захватили большую часть рынка точного усилителя. Они предлагают смещенное напряжение ниже 5 мкВ и смещенное смещение ниже 0,05 мкВ / °C, превышая производительность многих недорогих биполярных оп-амперов. Для термопар, моста и электрохимического сенсора фронт-эндов комбинация тока с низким уклоном, низкого дрейфа и выхода рельса к рельсу делает CMOS рекомендацией по умолчанию в большинстве современных руководств по выбору оп-амперов .

Будущее в интегрированном мире

Ожидается, что доминирование операционных усилителей CMOS будет расширяться по мере того, как электронные системы будут двигаться в направлении распределенного интеллекта и повсеместного зондирования.

IoT и сверхнизкое сенсорное питание

Миниатюрные узлы датчиков, питающиеся от сбора энергии или небольших монетных ячеек, требуют покоящихся токов ниже 1 мкА на усилитель и питающих напряжений при 2 В. Подпорогонные оп-амперы CMOS удовлетворяют этим целям, интегрируя компараторы пробуждения и стадии фильтра с минимальным отпечатком непосредственно на интерфейсе датчика. Возможность комбинировать оп-ампер с ADC, цифровым интерфейсом и управлением питанием на одном чипе является основой конструкций сенсорной системы IoT на чипе. Такие устройства, как мониторы сердечного ритма и импульсные оксиметры, зависят от интегрированных фотодиодных усилителей CMOS, которые не могут быть воспроизведены с дискретными биполярными компонентами из-за ограничений размера и мощности.

Автомобильная и промышленная квалификация

Электромобили и передовые системы помощи водителю (ADAS) требуют сотен схем кондиционирования аналоговых сигналов, каждая из которых контролирует ток, напряжение или температуру с высокой точностью в широком температурном диапазоне. Процесс квалификации AEC-Q100 благоприятствует опам CMOS, поскольку их низкое смещение и встроенные диагностические функции могут уменьшить потребность во внешней отделке. В промышленных роботизированных руках и управлении процессом сочетание широкого диапазона общего режима и низкой мощности делает опам CMOS стандартный выбор для 4-20 мА токовых петель и изолированных каналов сбора данных.

Критерии выбора для современных проектировщиков схем

Инженеры, приближающиеся к новой конструкции, должны начать с четкого списка наиболее важных спецификаций: напряжение питания, требуемая пропускная способность, импеданс источника, приемлемый покоящий ток и общий бюджет ошибок. Для большинства портативных, работающих от батареи или высокоимпедансных сенсорных приложений операционный усилитель CMOS обеспечит наилучшее сочетание производительности, интеграции и стоимости. Когда конструкция работает на сотнях мегагерц или требует шума напряжения субнановольта от источника 50 Ом, биполярный или усилитель BiCMOS все еще может быть подходящим выбором. Производители полупроводников теперь предлагают параметрические инструменты поиска, которые позволяют бок о бок сравнивать CMOS и биполярные операционные усилители , что облегчает определение того, где лежат границы технологии.

Переход от биполярных к операционным усилителям CMOS отражает более широкую эволюцию в философии проектирования схем к осознанию мощности, монолитной интеграции и цифровой калибровке.Понимая фундаментальные сильные стороны технологии CMOS, дизайнеры могут использовать ее преимущества для создания меньших, более эффективных и более интеллектуальных электронных продуктов.