精密運放:為您的設(shè)計尋找合適的架構(gòu)
先進(jìn)技術(shù)的涌現(xiàn)使得集成電路的價格不斷走低,越來越多的系統(tǒng)設(shè)計師選擇高精度運放。這些器件無需在生產(chǎn)期間或產(chǎn)品實際應(yīng)用時對系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn),簡化了系統(tǒng)設(shè)計和/或生產(chǎn)過程。然而,就失調(diào)電壓低的運放來說,今天的系統(tǒng)設(shè)計師有許多選擇。存在多種架構(gòu),包括使用非易失性存儲器、激光微調(diào)、自動調(diào)零乃至片上校準(zhǔn)電路。本文將闡明這些不同架構(gòu)的基本原理,并探討各自的優(yōu)缺點。
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/201610/307978.htm精密運放
開始討論各種運放架構(gòu)之前,弄清楚術(shù)語“精密”運放的含義很重要。該術(shù)語通常與放大器的輸入失調(diào)電壓相關(guān)。顧名思義,該規(guī)范是指放大器反相輸入和同相輸入之間的電壓差。該誤差電壓從數(shù)微伏到數(shù)毫伏不等,主要取決于輸入晶體管的匹配程度。“精密”放大器通常采用下面討論的架構(gòu)之一,實現(xiàn)某種形式的輸入失調(diào)校正。
在討論精密運放時,不僅要考慮初始輸入失調(diào)電壓,還有必要考慮不同環(huán)境條件下該誤差電壓的變化。這些環(huán)境條件包含共模電壓、工作電壓、輸出電壓、溫度乃至?xí)r間的變化。對于不同應(yīng)用,這些外部條件可確定最適合您的設(shè)計的放大器架構(gòu)。
非易失性存儲器(NVM)
第一種架構(gòu)使用非易失性存儲器。該方法利用非易失性EPROM熔絲,對放大器的輸入失調(diào)電壓進(jìn)行校正。很多情況下,該過程在器件的最終測試期間在封裝內(nèi)完成,是一種提供具有低初始失調(diào)電壓的放大器的低成本方法。由于該微調(diào)是在封裝后完成的,任何與封裝相關(guān)的失調(diào)均得以糾正。該架構(gòu)的另一個優(yōu)點是不需要任何客戶輸入。由制造商對放大器進(jìn)行微調(diào),不需要客戶做任何操作。但是, EPROM熔絲占用一定的硅面積。因此,就超小型封裝來說, EPROM微調(diào)的器件存在一定程度的局限性。另外,和通用放大器一樣,該架構(gòu)將對環(huán)境條件比較敏感,例如,溫度及共模電壓或工作電壓的變化。
激光微調(diào)
另一種常用于提高運放精度的方法是激光微調(diào)。該過程使用激光來調(diào)整位于硅片內(nèi)的薄膜電阻的阻值。這種方法的精度相對高些,因為此微調(diào)過程是連續(xù)的(與EPROM 微調(diào)中的離散步驟不同)。激光微調(diào)薄膜電阻的另一個優(yōu)點是這些電阻在不同溫度下固有的穩(wěn)定性,從而提高了放大器在寬溫度范圍內(nèi)的整體精度。
但是,激光微調(diào)不能在已封裝的器件內(nèi)完成,只能在晶圓級執(zhí)行。將晶圓切割成單個裸片、將裸片放入封裝以及將裸片的管腳與封裝的引腳結(jié)合的過程均可能導(dǎo)致對晶圓產(chǎn)生機械應(yīng)力,這將對器件的整體精度產(chǎn)生不利影響。微調(diào)時,無法考慮此類與封裝有關(guān)的變化,這些因素將增大放大器的誤差。
同非易失性存儲器熔絲一樣,激光微調(diào)也是在生產(chǎn)時一次完成的,不能重新微調(diào)。因此,外部工作條件的變化將對放大器精度產(chǎn)生不利影響。應(yīng)周密考慮不同外部條件(例如,溫度和工作電壓等)下放大器的失調(diào)誤差,因為該行為可能直接影響整個設(shè)計的性能。
自動調(diào)零架構(gòu)
自動調(diào)零架構(gòu)是一種連續(xù)自校正架構(gòu),利用一個指零放大器來校正主放大器的失調(diào)電壓。該架構(gòu)實現(xiàn)了超低失調(diào)誤差(例如,可比EPROM微調(diào)放大器低 100倍)和低失調(diào)漂移,并在提供卓越的電源抑制和共模抑制的同時消除 1/f噪聲。該架構(gòu)連續(xù)自校正輸入失調(diào)電壓,因而實質(zhì)上對環(huán)境不敏感。溫度變化、器件老化以及工作電壓或共模電壓的變化對自動調(diào)零放大器精度的影響微乎其微。最后要說的是,自校正電路全部包含在片內(nèi),因此無需客戶輸入。從系統(tǒng)級角度來看,器件的外觀和功能就像一個標(biāo)準(zhǔn)運放,只是性能更卓越。圖 1給出了一個自動調(diào)零運放的示例。
圖1:MCP6V0X運放采用自動調(diào)零架構(gòu)
盡管自動調(diào)零架構(gòu)有這么多優(yōu)點,但也有其缺點。內(nèi)部校正電路連續(xù)開關(guān)會產(chǎn)生開關(guān)噪聲。該附加電路還導(dǎo)致給定帶寬下的靜態(tài)電流較高。最后,由于此類器件的超高精度,測試時間可能相對較長,導(dǎo)致器件的制造成本較高。
片內(nèi)校準(zhǔn)電路
Microchip的mCal技術(shù)還提供了另一種實現(xiàn)高精度運放的方法。該技術(shù)涉及一個片上校準(zhǔn)電路。與所討論的其他方法非常類似,該校準(zhǔn)會得到非常低的初始失調(diào)電壓。但是,與EPROM微調(diào)或激光微調(diào)放大器不同,該片上校準(zhǔn)電路在上電時有效,或者基于外部校準(zhǔn)引腳。這使用戶可隨意重新校準(zhǔn)放大器。稍頻繁地重新校準(zhǔn)放大器,可使放大器的精度對環(huán)境不太敏感。
例如,如果客戶非常在意溫度漂移,那么他們可在每次溫度變化 5度時通過重新校準(zhǔn)器件最大程度地降低漂移誤差。雖然該重新校準(zhǔn)技術(shù)可顯著降低放大器的溫度漂移,但是需要用戶切換放大器上的校準(zhǔn)引腳啟動校準(zhǔn)程序。
今天的系統(tǒng)設(shè)計師在為其設(shè)計選擇運放時有很多選擇。大部分應(yīng)用可從使用高精度運放獲益,但關(guān)鍵是設(shè)計師要清楚放大器的底層架構(gòu)。雖然本文所討論的所有方法均可提供具有低初始失調(diào)電壓的放大器,但是放大器的精度因環(huán)境條件的不同而顯著不同。使用連續(xù)自校正架構(gòu)(例如自動調(diào)零放大器)或能夠使用mCal重新校準(zhǔn)的放大器提供了一種應(yīng)對外部環(huán)境不利影響的方法。表1 匯總了這四種不同架構(gòu)。
表1:精密運放架構(gòu)概述
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