精密運放不同架構(gòu)的基本原理和優(yōu)缺點

作者：Microchip Technology Inc，Kevin Tretter

先進技術(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)進行校準，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。

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?！熬堋狈糯笃魍ǔ２捎孟旅嬗懻摰募軜?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準運放，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)涉及一個片上校準電路。與所討論的其他方法非常類似，該校準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，該片上校準電路在上電時有效，或者基于外部校準引腳。這使用戶可隨意重新校準放大器。稍頻繁地重新校準放大器，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度時通過重新校準器件最大程度地降低漂移誤差。雖然該重新校準技術(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引腳啟動校準程序。

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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