低噪声视频运算放大器的研究现状及发展趋势

尤其伟　丁召　马奎

摘  要： 低噪声视频运算放大器因其低噪声、高速宽带特性被广泛应用于视频设备中。文章介绍了低噪声视频运算放大器的发展简史及激光修调电阻技术。通过对比BJT、CMOS、BiCMOS、SOI和GaAs各种工艺的优缺点，结合国内外低噪声视频运算放大器的发展现状，对其发展趋势进行了展望。

关键词： 视频运算放大器; 低噪声; 高速互补双极型工艺; 修调电阻

中图分类号：TN431.1          文献标识码：A     文章编号：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

隨着短视频和直播行业的兴起，市场对视频设备的需求量越来越多，而且对视频拍摄质量的要求也越来越高。运算放大器是视频信号处理系统的关键部分之一，常常被应用在摄像机、视频监控、可视化门铃、汽车驾驶员辅助系统成像等方面[1]。在这些应用场景中，由于所布设的信号传输线路比较长，会导致视频信号衰落，播放出来的图像效果变差，所以在一定的距离后加一个放大器电路将原视频信号保持高质量推送就变得十分重要。而运放的高增益、低损耗特性正好适用于信号放大，所以，对视频信号的处理需要用到运算放大器来对其进行缓冲放大或调制处理[2]。这些视频设备要求运算放大器具有低噪声、高速、宽带、低失真、驱动能力强等特点。而通用型运算放大器却面临噪声高、转换速率低、带宽窄等困难，这使得通用型运算放大器无法应用于视频设备中。因此，低噪声视频运算放大器应运而生。本文对低噪声视频运算放大器进行分析讨论。

1 低噪声视频运算放大器特性

与一般的运算放大器相比，视频运算放大器主要是对视频信号进行缓冲放大处理。视频信号是由亮度信号和彩色信号组成，世界上第一种彩色电视制式是由美国开发的，美国国家电视制式委员会（National Television System Committee，NTSC）制定了这一彩色电视传输标准。NTSC制式的电视标准，它的视频带宽为4.2MHz。其中，由于人类眼睛对亮度的空间和时间变化最为敏感，亮度信号覆盖了全部的可用视频带宽（0～4.2MHz）。而眼睛对彩色信号没有那么敏感，所以彩色信息需要较少的带宽，其采用3.58MHz的色负载波进行传输。正是因为视频信号的宽带特性，所以视频运算放大器对-3dB带宽指标要求很高[3]。

视频运算放大器必须达到一定的频带宽度和转换速率[4]。运算放大器的带宽用来衡量一个放大器能处理信号的频率范围，当带宽越宽时，能处理的输入信号的频率也就越高，整个电路的高频性能也就越好，如果带宽不够的话，运算放大器在处理高频信号时就容易导致信号失真。当输入信号为小信号时，通常用-3dB带宽来表示带宽性能;当输入信号为大信号时，一般用压摆率（即转换速率）来衡量带宽性能。一般来讲，视频运算放大器的-3dB带宽高于50MHz，压摆率高于80V/μs。

视频运算放大器随着高分辨电视技术的发展，其对视频信号进行高精度和无失真放大的要求也越来越高。视频运算放大器还需要具有出色的低噪声和低失调性能[5]。在综合各方面要求之后，人们对视频运算放大器的特性要求做了一些归纳，如表1所示。其中，在f=10kHz的等效输入电压噪声要低于10nV/[Hz]，最大输入失调电压[Vos]要低于2mV，共模抑制比和电源抑制比要高于100dB。

2 低噪声视频运算放大器的发展简史

在晶体管广泛使用之前，运算放大器是用电子管制造的。20世纪50年代出现了工作电压较低的小型电子管，但运算放大器的体积和建房用的砖头差不多大小，因此当时的运放模块有个俗名叫“砖块”。

20世纪50年代末期，模拟工程师们开始研发集成电路。60年代中期，仙童公司（Fairchild）推出μA709，这是第一种在商业上获得成功的集成运算放大器。这是第一代集成运算放大器，采用BJT工艺制造，使用了微电流恒流源，共模负反馈等电路，它们能够达到中等精度的要求。

第二代集成运算放大器以μA741为代表，它的重要特点是采用有源负载代替了集成电阻，从而极大地提高了开环增益。在电路结构上，采用输入级、中间放大级、输出级三级放大的模式[6]。输入级一般采用差分输入级来抑制共模信号和零点漂移，输出级使用互补推挽放大器电路形式，用来获得较高的输出功率和效率[7]。电路中还有短路保护措施，但是用来防止自激振荡的校正措施比较简单。

第三代集成运算放大器以AD508为代表，其重要特点是在输入级使用了电流放大系数特别大的超β管，在提高电流和电压放大倍数的同时，极大地减小了运算放大器的失调。第三代产品还使用了铬-硅电阻和激光修调技术[8]，修调工艺直接影响了修调的精度，这其中最为关键的一个因素就是切割形式，它决定了修调的速度和修调后电阻的质量等[9]，切割形式如图1所示。

第四代集成运算放大器以HA2900为代表，其采用目前相对先进的结构，如斩波稳零技术，成为自稳零运算放大器。其制造工艺达到了大规模集成电路的水平，输入级采用MOS场效应管。集成运算放大器的性能也随着更新迭代的工艺水平不断提高。

随着对视频信号缓冲放大的质量要求越来越高，市场出现了低噪声视频运算放大器。20世纪90年代，ADI公司推出了AD810，代表着国外在视频运算放大器的研究技術方面趋于成熟。AD810是一款适合用于HDTV（High-definition Television）的低噪声视频运算放大器，非常适合在多媒体和摄像机等系统中使用。随后发展出的低噪声视频运算放大器有AD828、LT1675、AD8045等众多型号，这些运算放大器都具有出色的视频性能。

3 低噪声视频运算放大器的工艺

模拟集成电路的根基在于工艺，工艺的进步极大地推动了集成电路的发展。伴随着新工艺的不断涌现，可以将集成电路的制作工艺分为BJT（Bipolar Junction Transistor）、CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）和BiCMOS（Bipolar Junction Transistor and Complementary Metal Oxide Semiconductor Transistor）。各种工艺的优缺点如表2所示。

目前CMOS工艺已经成熟地应用于集成电路中，台积电的5nm CMOS工艺平台已经开始投产。虽然CMOS工艺具有高集成度、低功耗、低成本等特性，但是双极型工艺在噪声性能和匹配性上有着CMOS工艺无法相比的优点，其高速性能可以用来制作如视频运算放大器之类的专用型运算放大器。双极型工艺在高精度、高增益、高稳定度方面继续发挥着它的优势，尤其在军工产品方面，具有不可替代性。

在设计低噪声视频运算放大器时，主要考虑到在处理视频信号时对速度和带宽的要求。所以在选择工艺时，需要选择寄生电容较小、特征频率较高的工艺。当寄生电容越小、特征频率越高时，运算放大器能处理的信号频带就越宽，电压转换速率就越大[10]。综合视频运算放大器对高速宽带的要求，一般选择标准高速互补双极型工艺进行电路设计。该种工艺的有源元件有VPNP（纵向 PNP管）、PNP（横向PNP）、NPN。无源元件有电感、多晶硅电阻、MIS电容。同时，针对电路可靠性方面，该种工艺还提供了标准的键合点单元以及防静电保护（Electro-static Discharge，ESD）单元。另外该种工艺可以提供三层铝线，在版图设计时可以更好地对元件进行布局，增加了元件集成度，减小了芯片面积。

4 国内外研究现状分析

模拟集成电路中，TI、ADI、英飞凌、意法半导体等欧美公司起步最早，研发的产品线广、产品性能优越，一直占据着全球模拟IC中绝大部分的市场份额[11]。在低噪声视频运算放大器领域中，凌特公司（现已被ADI收购）推出了增益带宽积高达4GHz、偏置电流达到飞安量级的LTC62系列运放。ADI公司是行业的领军者之一，其推出的ADA4807系列产品，具有低噪声特性，当频率为100kHz时，输入电压噪声为3.1nV/[Hz];具有直流精度的高速性能，-3dB带宽为180MHz，压摆率为225V/μs，0.1%建立时间为47 ns，输入失调电压为125μV;具有高输出驱动能力，输出电流最小为50mA，适合驱动后部端接电缆。

国内对低噪声视频运算放大器的研究起步比较晚，目前随着芯片国产化进程加快，国内的一些公司也取得了巨大的进步。如北京圣邦微电子公司于2019年推出的SGM8061/SGM8062/SGM8063系列芯片，具有低噪声特性，当频率为1MHz时，输入电压噪声为5.6nV/[Hz];具有优秀的高速性能，-3dB带宽为500MHz，压摆率为420μV/s，0.1%建立时间为16ns;具有高输出驱动能力，输出电流最小为100mA，适合用在专业的视频设备中。目前国内的很多相关产品使用的是BJT工艺，相比于其他的工艺，其器件尺寸更大，较难满足商业电路的集成。同时许多低噪声视频运算放大器产品无法批量生产，还停留在实验室阶段。所以按照国内外研究水平的横向比较，国内低噪声视频运算放大器还不成熟，处于追赶行业龙头的地位。

5 未来发展趋势

随着短视频和直播等行业的发展，对视频设备的需求量日益增多，国家也正在加大对集成电路行业的支持力度。国内低噪声视频运算放大器的性能将得到提升，并终将实现产品的国产化。

未来，低噪声视频运算放大器将会越来越多地被使用在摄像机、视频监控、汽车驾驶员辅助系统成像等应用上。一方面，随着以单电源、低电压为特征的便携式设备的普及，对运算放大器传统的双电源供电方式和供电电压提出了挑战;另一方面，随着人们对视频信号传输质量的要求不断提高，对视频运算放大器的噪声性能和直流精度提出了挑战[12]。

市场对移动端产品的需求量将会不断增大，低噪声视频运算放大器的发展将迎合市场的这一特点。市场的潜力促进了视频运算放大器在保持高速宽带特性的同时，往低噪声、低失调、低功耗等性能方面发展[13]。同时，这也对模拟电路设计师和芯片生产厂商提出了新的挑战。在研制过程中，也要尽可能地兼顾视频运算放大器的可靠性与经济成本。更低的噪声、更小的失调、更高的性价比，将成为下一代视频运算放大器设计的焦点。

6 结束语

随着工艺节点不断向前发展，先进的工艺技术使得芯片的集成度更高、性能更好。在未来，采用具有更低的寄生电容和更高的特征频率的工艺将会使得视频运算放大器的高速宽带性能变得更好[14]。同时，在低噪声视频运算放大器上运用激光修调，斩波稳零等技术提高了设计的直流精度。本文介绍了低噪声视频运算放大器的用途和特性，回顾了其发展简史，并了解了其制作工艺。通过对国外和国内低噪声视频运算放大器产品的比较，认识到了与国外行业龙头的差距，这对于提升我国视频运算放大器领域的水平和产品性能具有重要意义。

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