运算放大器--单通道、双通道、四通道优缺点及结构

Bob Widlar曾提出一个重要观点，即集成电路(IC)的设计依据应该是比例和匹配，而不是电阻和晶体管的绝对值。这个原理同样适用于需要多个运算放大器的PCB(印制电路板)设计。

　　双通道运放真的是两运放，还是一硅片具备两功能?

　　人们常常认为双通道运放等同于两个单通道运放，但在电路板上，单片双通道IC与两个单通道IC之间还是存在一些细微差别，这些差别可能会给新的设计带来问题。由于两个运放在相同的单个硅片上并排放置，因此在使用双通道放大器时需要考虑电气和散热因素。

　　业界研究热效应已经有30多年的历史了，并且在Solomon引用的一篇前50强IEEE论文有详细的论述 [1]。随着运放输出电压的改变，散热量也随之改变，会有一个热波穿过整个芯片传播到输入级，使芯片失去平衡，并表现为一种电气信号。热波能够同时影响两个运放，即使它们在电气上是分开的。

　　另外还有电气效应。为了减小裸片尺寸，进而降低成本，像偏置电路和相关启动电路等部分可能为两个运放所共享。如果一个运放超出了正常工作范围，并导致偏置电路出现故障，那么另一个运放也会发生故障 [2]。另外，由于只有一对电源引脚，邦定线和裸片上的一些金属化层将承载两个运放的总电流。一个放大器吸收的电流将产生IR压降，并通过随频率改变的PSRR指标反映到另一个运放上。

　　优点

　　任何事物都不可能十全十美，因此使用双通道运放既有优点也有缺点。有些优点是显而易见的。首先，单次插入比两次插入更省制造成本。其次，大多数半导体制造商的双通道运放报价通常要低于两个单通道运放的成本。通过合并子电路，裸片面积通常小于单通道运放的两倍。再者，高速自动化测试设备(ATE)受类似运放这样的单个功能的处理时间的限制，因此每个功能的测试成本也更低。在封装成本方面也是如此。最后，由于两个电路在晶圆上靠得非常近，它们之间的电气特性 (通常会规定)也非常匹配。

　　缺点

　　不过也存在一些缺点。将两个或四个功能放在一个封装中会增加功耗。对于低带宽、低电压(低功耗)运放来说，这种功耗的增加对结温的影响很小，仅上升5℃。而对驱动低阻抗负载(如同轴电缆)的高速运放而言，这种结温上升会非常明显，大概有30℃。由于裸片应力原因，四通道运放的最大失调电压将高于双通道或单通道运放[3]。在某些情况下，双通道运放的失调电压会比单通道运放高，四通道运放的失调电压将比双通道运放高[4]。

　　串扰也是个问题，它源自两个效应：热效应和电气效应。如前所述，从一个部分发出的热波将使另一个部分的输入级失去平衡，这表现为低频反馈。另外，由于只有一对电源引脚，邦定线电阻对所有部分都是公共的，因此一个部分引起的大负载电流将在邦定线上造成IR压降。运放的PSRR不是无限的，因此某部分将被耦合到其它部分。PSRR随频率升高而下降，因此在约5kHz至10kHz频段可以看到这一现象。

　　版图设计考虑

　　为了真正理解这些效应发生的原因，有必要了解单通道、双通道和四通道运放的内部构造输入级电路

　　运放的第一级通常是差分对电路，可以是如图所示的NPN或PNP双极性电路，也可以是N沟道或P沟道MOSFET，或N沟道或P沟道JFET。它们面临一个同样的问题：如果两边的温度有差异，即使相差只有1/10，电路也会变得不平衡。当增益为10万倍或以上时，这将对输出电压造成影响。当输出级电路存在功耗时，热波将越过裸片传播到输入级。如果输入级离得比较远(相对而言)，等温线将近似平行线。如果两个输入晶体管的位置摆放得比较合适，热波将同时到达两个晶体管，这时平衡几乎不会受到影响。这是一个好主意，但我们可以做得更好。将晶体管分成两个部分，并进行交叉耦合，那么从某个角度传来的热波将同时影响两个部分，影响程度将低于两个独立晶体管的情形。也许George Erdi在 uA725中首次应用的就是这种方法[5]。“交叉耦合四通道”具有多方面的含义，这里讨论的是其最通用的含义。输出晶体管和输入晶体管应沿着图1所示的中心线放置。

　　版图设计还有许多其它考虑因素，如裸片应力、电阻的温度系数等，这些因素在Hastings的文章[6]中有很详细的介绍。

　　封装引脚输出

　　图1中的版图对单通道运放来说完全没有问题，但对双通道运放来说问题就出现了。双通道运放的标准引脚输出如图2所示。

　　图3是双通道运放在晶体管级的一种可能的底层规划图。这里有个问题：通道B的输出必须越过输入线才能到达引脚7。在很早以前，双极性模拟工艺还是采用的单层金属化工艺，必须使用穿接(cross-under)方法，因此对性能会有影响。

　　图3是一个很好的双通道运放版图。输入级非常靠近裸片中心，因此机械应力梯度最小。从一个输出级到另一个输入级的距离要大于另一种版图。从输出级到两个输入级的等温线近似等距的并行线，因此交叉耦合输入级四通道运放的抑制能力很强。这种版图的主要缺点是，输出B必须跨越两个输入级才能到达输出焊盘。从输出金属化到同相输入金属化的任何电容都将导致正反馈。这对几年前的单层金属化(SLM)工艺来说问题比较麻烦，不过通过这些运放的低增益带宽已经有所改善。这种版图具有良好的散热性能，但是，在规划同一产品系列中的四通道版本时又会遇到问题。 双通道版图还有另外一种选择，如图4。在一个产品系列中要规划四通道产品时可以采用这种版图，因为这种版图可以被复制，再经垂直翻转就能快速生成四通道版图。输入和输出相当靠近正确的封装引脚。四通道运放的标准引脚输出如图5所示。

　　这种版图存在几个微妙的问题：(1)输入级不在裸片中心，而裸片中心是最低的机械应力梯度点，具有最小的失调电压;(2)从输出级到输入级的距离不够远;(3)从一个输出级到另外一个输入级的热波将使等温线变成曲线，因而无法被交叉耦合的输入对完全抑制，并造成从一个通道至另一个通道的串扰。

　　这些问题使设计师处于两难境地：对双通道运放来说最优的版图对四通道运放而言不是最优的。每个单通道、双通道或四通道运放的单个版图可以从头开始设计，但考虑到上市时间和开发成本，标准设计过程是要尽可能多地重复利用某个设计。当某个产品系列中只需要单通道或双通道运放时，双通道的版图通常是最优的。有趣的是，将图3进行水平翻转可以得到同样的四通道版图，因此与版图设计合理的双通道或单通道运放相比，四通道运放性能指标会较差。

　　几年前，有个制造商做出了指标非常好的四通道运放。秘诀是使用了一个特殊的引脚框，可接受两个双裸片，即混合器件或多芯片模块(MCM)。这种产品需要在内部完成装配，或与外部装配工厂进行紧密合作。最终的良品率近似等于各个裸片良品率的乘积。例如，如果裸片良品率是99%，那么最终良品率将是0.99×0.99 = 98.01%，这是完全可以接受的。另一方面，如果裸片良品率为90%，对于规格要求很严的器件来说这是很有可能的，那么总的良品率将是0.9×0.9 = 81%。

　　2009年12月曾有人展开过一项研究，通过五家半导体公司的网站统计单通道、双通道和四通道产品种类的 数量。调研结果如下：

　　单通道： 598，占 39.7%

　　双通道： 556，占37%

　　四通道： 350，占 23.3%

　　这里包括了大批量应用运放、音频放大器、高速、带有或不带有关断引脚的器件(算作两种)以及单位增益稳定和非完全补偿器件，在精密应用领域，如低失调电压或低噪声，总数会向单通道和双通道倾斜