突破精度限制——了解運(yùn)算放大器的精度挑戰(zhàn)

在精密測(cè)量過程中，系統(tǒng)工程師們面臨的第一個(gè)挑戰(zhàn)便是如何選擇具備最佳性能的運(yùn)算放大器以及安裝在其周圍的其他組件。這項(xiàng)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(huì)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(shì)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。

工程師對(duì)于運(yùn)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(duì)十多家廠商提供的數(shù)萬件放大器時(shí)，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(jià)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(dòng)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(zhǎng)時(shí)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(duì)數(shù)字化信號(hào)的影響降至最小。換句話就是說，低噪聲、高精度的運(yùn)算放大器不會(huì)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(cè)儀通常對(duì)偏移和溫度偏差漂移的要求則要低得多。

大多數(shù)半導(dǎo)體公司都會(huì)在運(yùn)算放大器精度的定義術(shù)語方面取得一致意見。實(shí)際上，他們會(huì)對(duì)其進(jìn)行分組。一般而言，如果運(yùn)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?yàn)?，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(jì)取得了巨大的進(jìn)步。OPA140 便是一個(gè) JFET 輸入放大器的一個(gè)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。

和系統(tǒng)工程師一樣，IC 設(shè)計(jì)人員使用各種 IC 級(jí)技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)高精度。IC 設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)這種精度的一種方法是使用斬波器穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)，也可單獨(dú)或者聯(lián)合實(shí)現(xiàn)自動(dòng)歸零。盡管這些技術(shù)非常有效，但是其存在一些缺點(diǎn)，而這些缺點(diǎn)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(gè)問題，許多制造廠商都提供了一些 IC 級(jí)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(diǎn)。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(jì)。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(shí)現(xiàn)高精度的方法。

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(shí)，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(diǎn)，例如：測(cè)試用焊點(diǎn)更少、連接修整成本更低。這種方法廣泛用于差分和測(cè)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(dú)立放大器，因?yàn)檫@種方法通常要求更多的引腳和屏蔽。

由于對(duì)精度的需求不斷增加，許多制造廠商現(xiàn)在會(huì)提供裝配后修整功能。這種多晶硅保險(xiǎn)絲熔斷技術(shù)不需要額外的引腳或者測(cè)試用焊點(diǎn)，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?yàn)樵S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(jì)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(shí)。更低電壓的電源，讓用戶擁有更長(zhǎng)的電池工作時(shí)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(shí)還提供了一種邏輯器件和微控制器的簡(jiǎn)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(duì)其進(jìn)行分類。

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(shí)，我們?cè)谀硞€(gè)具體修整點(diǎn)完成裝配后修整。為了保持最低偏移和溫度漂移，設(shè)計(jì)可能會(huì)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(shí)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(duì) IC 廠商和客戶都大有好處。

Soufiane Bendaoud 現(xiàn)任 TI 高精度模擬產(chǎn)品部業(yè)務(wù)開發(fā)經(jīng)理。iSoufiane 畢業(yè)于美國(guó)加州舊金山州立大學(xué)，獲電子工程理學(xué)士學(xué)位，后又畢業(yè)于舊金山大學(xué)，獲 MBA。