集成运放的基础地位

1．2　集成运放的基础地位

CMOS模拟与数模混合技术研究一直是当今国内外集成电路设计领域备受关注的研究方向，无论从系统级或基本单元模块级的电路设计，都发展了一批新理论和新方法，并经过了实践的检验。国内对模拟电路的设计也日趋重视，水平也在逐步提高。但客观上讲，由于各方面因素的限制，与国际水平相比尚有很大的差距，目前尚处于跟踪的水平，具有自主知识产权的原创性成果还不多，这反映了我国微电子芯片设计的整体状况。然而，模拟电路具有自身的特点，由于电路规模及电路复杂程度不是很大，对电子设计自动化EDA（Electronic Design Automation）软件工具的要求也不如数字电路那样高，设计队伍规模并不要求十分庞大，因此进入的门槛相对较低。但技术提升的难度较高，对设计研究人员的全面素质要求很高，一般应具备工艺、器件物理、电路系统等方面知识，而这一点又正是目前国内IC设计人员比较欠缺的部分。在模拟电路领域，具备扎实的基础理论知识并选择合适的突破口，对高素质模拟电路设计人才的培养、工程产品开发能力的提高，显得尤为关键和重要。

模拟电路广义上讲还包含混合信号电路。从技术层面上看，包括电路系统级芯片的开发和基本电路功能IP设计两个层次。由于应用系统的复杂性与多样性，决定了数模混合电路系统的多样性与设计复杂性。数模混合系统一般包含电源管理（Power Management）、通信与接口（Communication ＆Interface）、数据转换（Data Conversion）、放大器（Amplifier）和比较器（Comparator）等五大模块；在特殊应用的模拟电路中，包含消费类电子（Consumer）、电信（Telecom）、计算机及外设（Computer ＆Peripherals）、汽车（Automotive）、工业电子及其他（Industrial and other）等五大类。在以上各类应用系统中，模拟集成电路以其独有的基础地位，成为有线网络、蜂窝网络、固定无线网络、无线局域网络、数字电视和视频传输产品的关键电路。

在基本模拟电路设计领域，由于应用的灵活性、工艺的依赖性、性能参数要求的多样性等特点，模拟电路的发展呈现复杂性与多变性的特点，模拟IP的设计相对数字IP而言更为复杂，实现的难度更大。从功能上划分，模拟IP电路主要包括带隙电压基准BGR、集成运算放大器OpAmp、电压调节器VR、集成比较器Comp、振荡器OSC、模—数转换器ADC、数—模转换器DAC、锁相环路PLL等。从信号处理的性质划分，分为小信号线性模拟IP电路、大信号非线性模拟IP电路与数模混合IP电路三大类。

集成运放电路在模拟电路中居于关键性的基础地位，起到承上启下的作用。首先，集成运放电路的正常工作需要提供其稳定的静态工作点，主要涉及电路稳定工作状态的设计，而稳定静态点的确定主要依靠高性能的偏置电路。在基本的模拟电路中，偏置电路是整个电路的系统骨架，居于十分重要的地位，对系统性能的影响极大。稳定的偏置电路设计除了应具备器件物理、工艺版图方面的基础知识外，必然涉及电路的瞬态启动和动态变化性能，对静态电路的动态分析需要利用放大电路负反馈控制的基础理论知识。因此，运放电路的设计一方面建立在静态偏置电路分析与设计基础上，另一方面高性能的静态偏置电路的设计又离不开在运放设计中所建立起来的交流与瞬态分析方法的支撑。从这一点可以清楚看出，集成运放具有明显的“启下”功能，设计高性能运放应当具备半导体工艺、器件物理、静态与动态电路设计方面的基础知识和相关技能。

其次，集成运放电路在“承上”方面也发挥出关键作用。由于模拟集成运放一般在闭环负反馈的控制系统下工作，因此运放的设计与应用必然涉及到模拟系统方面的相关知识，包括系统的频率响应特性、系统的稳定性以及维持系统在变化状态下稳定性的各种结构设计和频率补偿设计等。因此，设计性能优良的集成运放，应具备电路系统及控制系统等方面的基础理论知识。

模拟集成运放自身的设计存在多样性。理想开环运放的基本特性可归结为任意条件下（含频率变化）的“虚短”、“虚断”。其中“虚断”可利用CMOS电路的结构属性近似实现，而“虚短”则要求开环增益无穷大。开环高增益是模拟运放设计最基本的要求。如果存在理想运放就可以解决模拟线性信号处理中几乎所有问题，获得一劳永逸的结果。然而，现实中理想运放并不存在，而应用的多样性又要求不同性能的运放电路与之相适应，以实现最高的性价比。因此，各种类型、各种结构的运放电路层出不穷，极大地推动了模拟集成电路的迅猛发展。

最后，集成运放电路在线性信号与非线性信号处理方面还起到联系和桥梁作用。一方面，当运放电路进行小信号线性信号处理时，应降低非线性失真；另一方面，运放结构在大信号作用下，工作在非线性开关工作区，表现出强烈的非线性特性。可见，运放电路可实现非线性电路的基本功能，如电压比较器、振荡器等。因此，运放已成为模拟集成电路中最重要的一类功能电路，掌握模拟集成IP运放电路的设计至关重要。