突破精度限制――了解運算放大器的精度挑戰(zhàn)

摘要

在精密測量過程中，系統(tǒng)工程師們面臨的第一個挑戰(zhàn)便是如何選擇具備最佳性能的運算放大器以及安裝在其周圍的其他組件。這項工作很重要。在一些有空間限制的應(yīng)用中，工程師們常常會尋求體積最小的封裝，但是這種小型封裝具有一定的優(yōu)勢卻無法提供理想的精度。本文討論 IC 制造商用于克服精度挑戰(zhàn)的一些技術(shù)，并讓讀者更好地理解封裝前和封裝后用于獲得最佳性能的各種方法，甚至是使用最小體積的封裝。

高精確模擬定義

工程師對于運算放大器 (op amps) 精度的定義并不一樣，其主要取決于不同的應(yīng)用。在面對十多家廠商提供的數(shù)萬件放大器時，工程師常常面臨如何選出最佳性能的放大器的難題。也就是說，最高性價比——假設(shè)系統(tǒng)還需要其他組件。例如，石油勘探或者地震研究的震動分析應(yīng)用，要求放大器擁有非常低的輸入偏移電壓，并且在長時間使用和溫度變化的情況下具有非常小的偏差漂移。只有這樣，才能保證對數(shù)字化信號的影響降至最小。換句話就是說，低噪聲、高精度的運算放大器不會嚴(yán)重影響高分辨率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的性能，從而提供更高的精準(zhǔn)度。相反，血糖監(jiān)測儀通常對偏移和溫度偏差漂移的要求則要低得多。

圖 1 便攜式震動儀的典型結(jié)構(gòu)圖

圖 2 血糖監(jiān)測儀的典型結(jié)構(gòu)圖

大多數(shù)半導(dǎo)體公司都會在運算放大器精度的定義術(shù)語方面取得一致意見。實際上，他們會對其進(jìn)行分組。一般而言，如果運算放大器的初始偏移電壓低于 1mV 且單位增益頻寬小于 50 MHz，則按照精度來進(jìn)行分組。但是，這種精度與工藝技術(shù)有關(guān)，即使在相同器件中也是如此。根據(jù)不同的封裝，兩條不同規(guī)格的生產(chǎn)線生產(chǎn)出 同一種放大器的情況并不常見。這是因為，更小的封裝更容易受到擠壓裸片的封裝模塑的應(yīng)力。

過去，雙極輸入器件在精度方面領(lǐng)先。盡管一些人認(rèn)為這些器件仍然是最佳選擇(在許多方面它們的確如此)，但是最近的一些 CMOS 和 JFET 設(shè)計取得了巨大的進(jìn)步。OPA140 便是一個 JFET 輸入放大器的一個例子，它擁有 120 uV 的最大偏移電壓，并且在更大的工業(yè)溫度范圍其偏差漂移僅為 1 uV/°C。

在不斬波的情況下實現(xiàn)高精度

和系統(tǒng)工程師一樣，IC 設(shè)計人員使用各種 IC 級技術(shù)，以實現(xiàn)高精度。IC 設(shè)計人員實現(xiàn)這種精度的一種方法是使用斬波器穩(wěn)定實現(xiàn)，也可單獨或者聯(lián)合實現(xiàn)自動歸零。盡管這些技術(shù)非常有效，但是其存在一些缺點，而這些缺點讓放大器在一些應(yīng)用中的表現(xiàn)不讓人滿意。為了解決這個問題，許多制造廠商都提供了一些 IC 級修整方法，以獲得更低的偏移電壓。這種方法反過來又提高了溫度變化偏差漂移性能。但是，并非所有修整方法都擁有這種優(yōu)點。一些修整方法可能并不適合于面向成本敏感性應(yīng)用的設(shè)計。一般情況下，一旦定義了產(chǎn)品并且明確了目標(biāo)應(yīng)用以后，便可選定實現(xiàn)高精度的方法。

修整還是不修整

一種最為古老的修整方法是“齊納去除法 (Zener-zapping)”。去過，許多精密放大器都使用了這種方法。一般而言，這種方法應(yīng)用于大尺寸處理器，而諸如 CMOS 這樣的小型處理器使用這種方法時，成本效益較低。“齊納去除法”是一種片上處理技術(shù)。盡管可以獲得非常高的精度，但它通常要求更大的裸片面積，這讓它難以適用于小型封裝。

激光修整是精密器件中普遍使用的一種方法，其具有許多優(yōu)點，例如：測試用焊點更少、連接修整成本更低。這種方法廣泛用于差分和測量放大器，目的是改善電阻器匹配度，以及提供必要的共模抑制比 (CMRR)。但是，這種方法缺少裝配后修整的能力。

EEPROM 是我們能夠使用的另一種片上方法，但很少用于獨立放大器，因為這種方法通常要求更多的引腳和屏蔽。

由于對精度的需求不斷增加，許多制造廠商現(xiàn)在會提供裝配后修整功能。這種多晶硅保險絲熔斷技術(shù)不需要額外的引腳或者測試用焊點，并且相比封裝修整方法可以節(jié)省大量的成本。這是一種真正意義上的技術(shù)突破，因為許多 CMOS 放大器現(xiàn)在都可以達(dá)到史無前例的DC精度水平，也即百微伏以下的初始偏移和一微伏以下的偏差漂移。OPA376 是一款具有 25 µV 保證偏移電壓的 CMOS 輸入放大器，也可以受益于這些 DC 參數(shù)。裝配后修整讓廣大 IC 設(shè)計人員和布局工程師，可以克服小封裝中產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力，從而擁有小型化的優(yōu)異精度。除節(jié)省成本以外，CMOS 使用這種方法，還讓更低電壓的使用成為現(xiàn)實。更低電壓的電源，讓用戶擁有更長的電池工作時間(便攜式應(yīng)用的基本要求)，并幫助節(jié)省高密度電路板的功耗，同時還提供了一種邏輯器件和微控制器的簡單接口。

表 1 概括了各種修整方法，并根據(jù)技術(shù)和制造廠商按照裝配前和裝配后對其進(jìn)行分類。

表 1 修整方法總結(jié)

根據(jù)修整方法選擇精度

根據(jù)修整方法選擇放大器的精度具有一定的誤導(dǎo)性。有時，我們在某個具體修整點完成裝配后修整。為了保持最低偏移和溫度漂移，設(shè)計可能會要求使用更多的復(fù)雜電路，其給芯片增加了大量基板面。查看數(shù)據(jù)表單規(guī)格表首頁以后的內(nèi)容，了解偏移實際值及其共模變化情況，不要依賴于修整算法。

一些制造廠商利用精密器件的成功，推出非修整版本，其可應(yīng)用于不同的應(yīng)用。由于成本被輕松地降低了，這種做法對 IC 廠商和客戶都大有好處。