A dispetto delle previsioni negative, che pronosticano una riduzione del mercato e un aumento dei livelli di integrazione, il segmento degli amplificatori operazionali discreti è tuttora vivace e in buona salute. Questi componenti sono ancora sulla cresta dell’onda e la loro evoluzione nei prossimi anni sarà sempre più rapida.
Nel corso degli ultimi 20 anni sono emerse tre tendenze che di fatto pilotano l’evoluzione degli amplificatori operazionali:
– Velocità in relazione alla potenza disponibile
– Dimensione della piedinatura
– Riduzione della tensione di alimentazione
Anche se non si può certamente disconoscere il fatto che gli amplificatori operazionali si trovano integrati all’interno di Asic e Assp, i componenti di tipo discreto possono garantire sicuri vantaggi per quel che riguarda prestazioni e versatilità.
Gli operazionali discreti elementi guida dell’innovazione
Nel momento in cui sul mercato si affaccia una nuova tecnologia, si aprono interessanti opportunità per gli amplificatori operazionali. Dieci anni fa, agli albori della diffusione degli handset cellulari, gli amplificatori discreti hanno trovato ampio spazio. A quei tempi i chipset standard non erano molto diffusi, senza dimenticare il fatto che il loro utilizzo comportava l’insorgere di parecchi errori. Gli amplificatori operazionali venivano utilizzati nelle sezioni critiche dei sistemi o, in molti casi, servivano a correggere gli errori progettuali associati all’uso di circuiti Asic. Ovviamente, nel momento in cui i sistemi sono divenuti più maturi ed è aumentato il livello di integrazione, i problemi associati all’impiego di circuiti Asic sono diminuiti e l’impiego degli amplificatori operazionali è andato scemando progressivamente. Ovviamente, anche se in misura minore, gli amplificatori operazionali continuano a essere utilizzati in quanto i produttori cercano sempre di differenziare i loro prodotti con l’aggiunta di funzionalità che non possono essere integrate nei circuiti Asic.
Gli amplificatori operazionali recitano sicuramente un ruolo da protagonisti quando si tratta di supportare nuove tecnologie. Questo è il motivo per cui si cerca di aumentare le prestazioni al fine di rendere disponibili soluzioni ad alcuni problemi di condizionamento dei segnali altrimenti difficilmente risolvibili. A questo punto è necessario chiedersi qual è la modalità da seguire per definire le prestazioni che possano soddisfare le richieste del mercato. Per mia esperienza, vi sono parecchi trend tecnologici alla base dell’innovazione nel campo degli amplificatori operazionali: i più importanti sono la velocità in relazione alla potenza disponibile, la piedinatura e la riduzione della tensione di alimentazione.
Package miniaturizzati
I nuovi package a livello di chip (CSP – Chip Scale Package) sono limitati solamente dal passo dei terminali delle schede che attualmente è dell’ordine di 0,4 mm. Gli amplificatori operazionali quadrupli in package CSP, che per il momento non risultano particolarmente appetibili dal punto di vista dei costi, lo diventeranno una volta che diminuirà il passo tra le piazzole. I resistori necessari per l’impostazione del guadagno che circondano l’amplificatore occupano attualmente un’area superiore rispetto a quella dell’amplificatore stesso. L’integrazione dei resistori e di altre funzionalità potrebbe contribuire alla riduzione dell’area della scheda, anche se un’operazione di questo tipo andrebbe a scapito della flessibilità.
Al di là dell’aspetto che riguarda la piedinatura, esistono altre opportunità di miglioramento a livello di package: la riduzione delle capacità parassite, delle induttanze, delle correnti di perdita, dell’impedenza termica, oltre al miglioramento della diafonia e la semplificazione delle operazioni di assemblaggio potrebbero contribuire in maniera significativa all’evoluzione del package degli amplificatori operazionali prossimi venturi.
Prestazioni: velocità in relazione alla potenza disponibile
Quando si parla di amplificatori operazionali, la velocità è definita in termini di prodotto guadagno ampiezza di banda (GBW – Gain Bandwidth Product) nel caso di piccoli segnali e di slew rate in presenza di grandi segnali. Per esempio, un segnale video di ampiezza pari a 2 V p-p è considerato un grande segnale mentre l’uscita di un microfono a elettrete, pari a 20 mVp-p, è considerato un piccolo segnale. Quando nel 1960 fu sviluppato il primo amplificatore operazionale, il rapporto tra velocità e potenza era dell’ordine di 0,1 MHz per mA di corrente di alimentazione.
Al giorno d’oggi è abbastanza comune poter disporre di amplificatori operazionali caratterizzati da un rapporto superiore a 100 MHz per mA di corrente di alimentazione. Gran parte di questo consistente aumento di velocità è imputabile all’utilizzo di processi con geometrie sempre più ridotte, transistor PNP verticali e tecnologie SOI (Silicon On Insulator). Le architetture a retroazione di corrente hanno permesso di realizzare amplificatori operazionali ad alta velocità contraddistinti da migliori prestazioni in termini di ampiezza di banda a parità di assorbimento di corrente. Non va comunque dimenticato che alcuni di questi aumenti a livello di prestazioni sono andati a discapito del massimo valore della tensione di alimentazione.
Nel corso degli anni ho anche potuto osservare specifiche che davano l’impressione di garantire il consumo minimo per una data ampiezza di banda. In tali casi la corrente era così ridotta nello stadio di uscita (dove viene consumata la maggior parte della corrente di un amplificatore operazionale) che l’operazionale stesso non sarebbe stato in grado di pilotare la sonda di un oscilloscopio da 10 pf senza oscillare. Un amplificatore operazionale, invece, dovrebbe essere stabile in presenza di capacità comprese nell’intervallo che va da 100 a oltre 200 pF. L’obbiettivo dei progettisti è disporre di prodotti di semplice uso che funzionino in maniera regolare, quindi non siano soggetti a oscillazioni in presenza di un carico capacitivo di ridotta entità.
Tensioni di alimentazione ridotte
In futuro vi saranno applicazioni in grado di operare con tensioni di alimentazioni ridotte perché capaci di supportare un rapporto segnale/rumore inferiore, mentre per altre applicazioni sarà necessario il valore della tensione dovrà mantenersi elevato. Per poter preservare il valore del rapporto tra segnale e rumore in presenza di tensioni di alimentazione ridotte è necessario ridurre il rumore. Le prossime evoluzioni tecnologiche dovranno tenere in considerazione gli aspetti legati al rumore 1/f e al rumore in banda piatta. Con una tensione di alimentazione di circa 2 V, la quantità di potenza richiesta per ottenere un determinato rapporto tra segnale e rumore cresce. In presenza di tensioni inferiori non è possibile incrementare il guadagno con un collegamento in cascata, ragion per cui si rende necessaria l’aggiunta di ulteriori stadi.
Non è possibile ignorare il fatto che gli amplificatori operazionali sono utilizzati per connettere il mondo reale sotto forma di dispositivi per il condizionamento dei segnali in ingresso o circuiti per il pilotaggio dei segnali in uscita. L’esigenza di disporre di amplificatori operazionali di dimensioni contenute capaci di operare con tensioni di alimentazione uguali o superiori a 30 V e garantire un rendimento di potenza elevato sarà avvertita in futuro in misura sempre maggiore. Per soddisfare queste aspettative sarà necessario apportare migliorie significative a livello di tecnologie di packaging e di processo.
Gli operazionali con specifiche di precisione particolarmente spinte si stanno diffondendo in un numero sempre maggiore di applicazioni. Tali amplificatori dovranno operare con tensioni di alimentazione ridotte, dissipare meno potenza ed essere ospitati in package di dimensioni via via
più contenute. L’integrazione di questi dispositivi di precisione all’interno di circuiti Asic, oltre a comportare notevoli difficoltà, non risulta conveniente dal punto di vista economico: questo è il motivo per cui le prospettive di crescita appaiono promettenti.
Nonostante le continue evoluzioni tecnologiche, non vi potrà mai essere l’amplificatore operazionale “perfetto”, ovvero adatto per qualsivoglia applicazione. Anche se un giorno fosse disponibile, risulterebbe troppo costoso e l’utente non sarebbe disposto a pagare funzionalità delle quali non ha bisogno. Il numero dei problemi applicativi che i progettisti devono affrontare è in continuo aumento, così come il numero di amplificatori operazionali necessari per risolverli. Una tecnologia di concezione modulare e scalabile per quel che concerne le tensioni giocherà sicuramente un ruolo di fondamentale importanza, assicurando soluzioni tempestive alle problematiche che di giorno in giorno si presentano. Inoltre, lo sviluppo di tool di progettazione avanzati e la disponibilità di supporto qualificato saranno necessari per affrontare efficacemente complessi problemi riguardanti il percorso del segnale e soddisfare le sempre più stringenti esigenze in termini di time to market.
I dispositivi elettronici sono sempre più numerosi e complessi. Nel momento in cui tali dispositivi diventano maturi, non è detto che sia possibile conseguire vantaggi economici dall’integrazione sempre più spinta degli amplificatori operazionali. Il fatto certo è che nel momento in cui all’orizzonte si profilano evoluzioni tecnologiche di un certo rilievo, ci sarà sempre spazio per gli amplificatori operazionali monolitici.
Despite the dire predictions of higher levels of integration and shrinking markets, the discrete operational amplifier is alive and well. In fact, op amps have never been healthier, and the rapid evolution of discrete op amps will accelerate in the years ahead.
During the past 20 years, three overriding trends have emerged that drive the development of op amps. They are:
– speed for a given power
– footprint size
– and reduced supply voltage
This is not to deny that op amps do get integrated into ASICs or ASSPs. The simple fact is that the ubiquitous op amp is still many years ahead of its integrated cousin in performance and versatility.
Discrete Op Amps Drive Rapid Innovation
When a technology is new we often find many opportunities for op amps. For example, ten years ago when the cellular handset market was just taking off, the use of discrete op amps in cell phones was prolific. Standardized chipsets either were not common or had many design flaws associated with them. Op amps were needed in key parts of the system or in many cases to fix design flaws associated with the ASICs. As systems matured and become more integrated, the problems with the ASICs decreased and the use of op amps declined. Of course, the number didn’t go to zero because manufacturers were always trying to differentiate their phones with new features that the ASICs didn’t incorporate.
Op amps clearly play an important role in enabling future technology. This is what drives the industry to push the envelope on performance to provide solutions to some very difficult signal-conditioning problems. So how does one define performance and how does it relate to the market? As I see it, there are several distinct technology trends that will drive op amp innovation.
Three strong trends that have formed during the last 20 years or so are speed for a given power, footprint size, and reduced supply voltages. I haven’t seen major deviations from these trends; however, from a footprint perspective, we have most likely reached a limit when it comes to area reduction.
Small-Footprint Packaging
New chip-scale packages are only limited by PC board pad pitch which is starting to touch 0.4mm in mass production. Quad op amps in a chip-scale package are still not cost competitive, but will get more attractive when bump pitch is decreased. The gain setting resistors that wrap around the op amp now consume more board area than the op amp itself. Integration of the resistors and other functionality would now be the next step to achieve reduced board area but at the cost of flexibility. Outside of footprint area, there are other opportunities to improve package technology. Reduction of parasitic capacitances, inductances, leakage currents, thermal impedance, improved cross talk and lower assembly shift will be the drivers of packaging of op amps in the future.
Performance: Speed for a Given Power
With op amps, speed is defined as gain bandwidth product (GBW) for small signals and slew rate for large signals. For example, a 2Vp-p video signal is considered a large signal while the output of an electret microphone at 20mVp-p is a small signal. When the first op amps were developed in the 1960s, the speed-to-power ratio was in the neighborhood of 0.1 MHz per milliamp of supply current. Today, it is not uncommon to see op amps perform at well over 100 MHz per milliamp of supply current. Much of these speed improvements were due to using smaller geometry process technologies, vertical PNPs, and silicon-on-insulator (SOI) technology. Current feedback architectures also have enabled high-speed op amps improved bandwidth performance for a given current consumption. However, some of these performance gains were at the loss of maximum supply voltage.
Over the years I have also seen specification games played that give the appearance of lowest power consumption for a given bandwidth. In these cases, the bias current was so starved at the output stage (where most of the current is consumed in an op amp) that the op amp can’t even drive a 10pf scope probe without oscillating. An op amp should be stable with a minimum of 100pF and preferably over 200pF. Engineers want to use products that are easy to employ in their designs and don’t operate erratically, such as oscillate under low capacitive loading.
Reduced Supply Voltages
There will be parts of the market that will live with these reduced supply voltages because they can tolerate a lower signal-to-noise ratio while others will still need to maintain those high supply rails. To maintain the signal-to-noise ratios, with lower supply voltages, the noise floor must also be reduced. Technologies of the future will need to address both 1/f noise and flat-band noise. At approximately 2 volts of supply voltage, the amount of power to obtain a given signal-to-noise ratio actually increases, creating a lower boundary condition. At lower voltages, there is no headroom to get additional gain from cascading, so additional stages are added to get gain and burn additional power.
We also can’t ignore the fact that op amps are used to connect to the real world as both input signal-conditioning devices and output signal drivers. The need for some op amps to operate with supply voltages of up to 30 volts or greater, have good power efficiency and small footprint area will continue far into the future. Advances in process and package technology will be needed to address these applications.
Op amps with precision attributes are becoming prevalent in many markets. Precision op amps will be driven to operate from lower supply voltages and consume less power while fitting into small footprint packages. It is difficult and usually not cost effective to integrate precision op amps into ASICs, thereby giving this segment some added growth opportunities.
Despite all these technology trends for the op amp market, it is clear that there will never be a “one size fits all” op amp or the “perfect” op amp. Even if there was a “perfect” op amp no one would buy it because of how expensive it would be, and the user would feel they would be paying for what they did not need. The number of application problems that engineers need to
solve continues to expand every year and so will the number of op amps needed to address these problems. Technology that is voltage scalable and modular will play a key role in providing timely solutions to these problems. In addition, advanced design tools and applications support will continue to be needed to solve difficult signal path problems that meet the increasing time to market demands.
The number and complexity of electronic devices is exploding. As these devices mature, there is little doubt that economy can be achieved by higher levels of op amp integration. However, as long as there is a frontier of new electronics yet to be invented, there will be a need for the ubiquitous monolithic operational amplifier.