运算放大器工艺

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有些放大器制造商认为，你应该仅凭规格来对一只器件作出判断，而不用担心制造它的工艺。虽然这种观点有其正确性，但几乎每个 IC 设计者和应用工程师都必须考虑半导体工艺以及规格。这样有助于他们对这些器件作广泛的分类，以及作出有关规格的某种假设。

制造商最初使用的工艺是双极工艺，它使用普通晶体管，而不是 FET（场效应管）或 MOSFET（金属氧化物半导体 FET）。使用双极工艺意味着该器件可以工作在较高电压下，一般速度也更快。双极晶体管有较高的跨导，便于设计。如果使用一种隔离工艺，则设计的器件可以 工作在高得多的频率下，因为内部杂散电容通常只有传统工艺的十分之一。这种类型的工艺一般采用介电质隔离法，即各个晶体管都处于自己的玻璃隔离皿中。有些 工艺只是沟道隔离，即晶体管的侧面用玻璃隔离，但底部则采用普通双极工艺作结点隔离。沟道隔离器件的速度好于那些单纯的双极器件，但比不上完全介电质隔离 器件。这种方法亦可以避免闩锁效应，即基材构成一个寄生 SCR（可控硅整流器）。由于器件不会闩锁，就可以超出共模范围，并且在给器件加电前输入端就可以有电压。与所有模拟产品一样，介电质隔离也有一个缺点， 甚至超出了较高的成本。所有晶体管周围玻璃壁的导热能力都要比结点隔离方法低 10 倍。因此，设计者对高输出电流放大的应用较少采用介电质隔离。

另外一种广泛使用的放大器工艺类别是 CMOS（互补金属氧化物半导体）。CMOS 器件价格较低，因为它们的制造工艺步骤较少。CMOS 器件通常也有低的工作电流。CMOS 的最佳特性之一是它的输入脚只需要极少的输入偏置电流。例如，德州仪器公

司 的 CMOS OPA2355 的输入偏流为 0.05 nA，仅次于 JFET（结型 FET）输入器件。CMOS 器件一般是 5V 供电，虽然也有一些 12V CMOS 工艺。由于早期 CMOS 器件利用了 CMOS 低工作电流的优势，因此这些器件表现为电压噪声，它不是 CMOS 固有的特性，而是设计中采用低偏流以及在输入段使用小晶体管的结果。例如，美国国家半导体公司用 CMOS 制造的 LMV751，由于设计者采用大的输入晶体管，并且输入差分晶体管对有较高的静态电流，因此 LMV751 有低的电压噪声。另外一种 BIMOS（双极 MOS）工艺则同时包含了双极和 CMOS 晶体管。

还有一种不太常见但仍然有用的双极 JFET 工艺，它增加了掩膜步骤以创建JFET。与 CMOS 晶体管类似，JFET 有低的输入偏流。较老的 JFET 器件（如美国国家半导体公司的 LF411 和 Analog Devices 公司的 AD549）在 CMOS 器件流行前就能提供低的偏流。德州仪器公司提供的现代 JFET 器件有低偏流，但速度仍很快。例如，TI 的 OPA656 带宽为 500 MHz。JFET 的输入电压噪声亦低于 CMOS，因为晶圆基材中的扩散掩盖了 JFET。与之相比，CMOS 晶体管位于裸芯的表面，这里它们受制于栅格缺陷和晶体杂质，这些都会产生噪声。同样，这种方案也包含一种均衡：用制造中的扩散控制 JFET 的参数。CMOS 晶体管的特性主要依赖于制造中的光刻。因此，CMOS 器件能做到更好的输入对匹配，降低了偏置电压，并减少了漂移。

当某个应用要求的速度超过双极器件可以提供的极限时，设计者可以转向 SiGe（硅锗）工艺。这些工艺在基极区有较高的电子迁移率、更薄的基极区，以及较高的射频电流密度，从而使运放带宽超过 1 GHz。这些器件消耗较多电流，并与所有其它的高速器件一样有稳定性问题。SiGe 工艺正被用于高速 ADC 与高速通信放大器中的差分输入放大器。

其它工艺包括 GaAs（砷化镓）和 SOS（蓝宝石硅）。GaAs 工艺速度很快，并且有比 SiGe 更高的电子迁移率和更薄的基极区。GaAs 的缺点与硅不同，它使用了不容易形成的隔离氧化物。硅氧化物是玻璃，可以隔离不同的金属化层。GaAs 没有这种工艺特性，它追随硅工艺，但能制造工作在 10 GHz 以上的器件。当然价格和工作电流也较高。在 SOS 工艺技术中，介质隔离的晶体管速度快，与氧化物隔离绝缘的工艺一样。但由于晶体管之间隔离采用蓝宝石而不是玻璃，蓝宝石是水晶的导热率，与之相比，玻璃的 导热率较低。因此，SOS 器件速度快，提供大量的功率输出。制造商可以用掩膜少于双极工艺的 CMOS 工艺流程进行制造。