精密運(yùn)放：為您的設(shè)計(jì)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(jià)格不斷走低，越來越多的系統(tǒng)設(shè)計(jì)師選擇高精度運(yùn)放。這些器件無需在生產(chǎn)期間或產(chǎn)品實(shí)際應(yīng)用時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和/或生產(chǎn)過程。然而，就失調(diào)電壓低的運(yùn)放來說，今天的系統(tǒng)設(shè)計(jì)師有許多選擇。存在多種架構(gòu)，包括使用非易失性存儲(chǔ)器、激光微調(diào)、自動(dòng)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(diǎn)。

精密運(yùn)放

開始討論各種運(yùn)放架構(gòu)之前，弄清楚術(shù)語(yǔ)“精密”運(yùn)放的含義很重要。該術(shù)語(yǔ)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(shí)現(xiàn)某種形式的輸入失調(diào)校正。

在討論精密運(yùn)放時(shí)，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(duì)于不同應(yīng)用，這些外部條件可確定最適合您的設(shè)計(jì)的放大器架構(gòu)。

非易失性存儲(chǔ)器(NVM)

第一種架構(gòu)使用非易失性存儲(chǔ)器。該方法利用非易失性EPROM熔絲，對(duì)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(cè)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(gè)優(yōu)點(diǎn)是不需要任何客戶輸入。由制造商對(duì)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(duì)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(yùn)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(duì)高些，因?yàn)榇宋⒄{(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(gè)優(yōu)點(diǎn)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(jí)執(zhí)行。將晶圓切割成單個(gè)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(duì)晶圓產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，這將對(duì)器件的整體精度產(chǎn)生不利影響。微調(diào)時(shí)，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(chǔ)器熔絲一樣，激光微調(diào)也是在生產(chǎn)時(shí)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(duì)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?yàn)樵撔袨榭赡苤苯佑绊懻麄€(gè)設(shè)計(jì)的性能。

自動(dòng)調(diào)零架構(gòu)

自動(dòng)調(diào)零架構(gòu)是一種連續(xù)自校正架構(gòu)，利用一個(gè)指零放大器來校正主放大器的失調(diào)電壓。該架構(gòu)實(shí)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(shí)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(shí)質(zhì)上對(duì)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(duì)自動(dòng)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(jí)角度來看，器件的外觀和功能就像一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)放，只是性能更卓越。圖 1給出了一個(gè)自動(dòng)調(diào)零運(yùn)放的示例。

圖1：MCP6V0X運(yùn)放采用自動(dòng)調(diào)零架構(gòu)

盡管自動(dòng)調(diào)零架構(gòu)有這么多優(yōu)點(diǎn)，但也有其缺點(diǎn)。內(nèi)部校正電路連續(xù)開關(guān)會(huì)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(cè)試時(shí)間可能相對(duì)較長(zhǎng)，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(shí)現(xiàn)高精度運(yùn)放的方法。該技術(shù)涉及一個(gè)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(huì)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(shí)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(duì)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(shí)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(dòng)校準(zhǔn)程序。

今天的系統(tǒng)設(shè)計(jì)師在為其設(shè)計(jì)選擇運(yùn)放時(shí)有很多選擇。大部分應(yīng)用可從使用高精度運(yùn)放獲益，但關(guān)鍵是設(shè)計(jì)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(dòng)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(duì)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(yùn)放架構(gòu)概述