精密運放：為您的設計尋找合適的架構

先進(jìn)技術(shù)的涌現使得集成電路的價(jià)格不斷走低，越來(lái)越多的系統設計師選擇高精度運放。這些器件無(wú)需在生產(chǎn)期間或產(chǎn)品實(shí)際應用時(shí)對系統進(jìn)行校準，簡(jiǎn)化了系統設計和/或生產(chǎn)過(guò)程。然而，就失調電壓低的運放來(lái)說(shuō)，今天的系統設計師有許多選擇。存在多種架構，包括使用非易失性存儲器、激光微調、自動(dòng)調零乃至片上校準電路。本文將闡明這些不同架構的基本原理，并探討各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

精密運放

開(kāi)始討論各種運放架構之前，弄清楚術(shù)語(yǔ)“精密”運放的含義很重要。該術(shù)語(yǔ)通常與放大器的輸入失調電壓相關(guān)。顧名思義，該規范是指放大器反相輸入和同相輸入之間的電壓差。該誤差電壓從數微伏到數毫伏不等，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之一，實(shí)現某種形式的輸入失調校正。

在討論精密運放時(shí)，不僅要考慮初始輸入失調電壓，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、溫度乃至時(shí)間的變化。對于不同應用，這些外部條件可確定最適合您的設計的放大器架構。

非易失性存儲器(NVM)

第一種架構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電壓進(jìn)行校正。很多情況下，該過(guò)程在器件的最終測試期間在封裝內完成，是一種提供具有低初始失調電壓的放大器的低成本方法。由于該微調是在封裝后完成的，任何與封裝相關(guān)的失調均得以糾正。該架構的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是不需要任何客戶(hù)輸入。由制造商對放大器進(jìn)行微調，不需要客戶(hù)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(lái)說(shuō)， EPROM微調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

另一種常用于提高運放精度的方法是激光微調。該過(guò)程使用激光來(lái)調整位于硅片內的薄膜電阻的阻值。這種方法的精度相對高些，因為此微調過(guò)程是連續的(與EPROM 微調中的離散步驟不同)。激光微調薄膜電阻的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是這些電阻在不同溫度下固有的穩定性，從而提高了放大器在寬溫度范圍內的整體精度。

但是，激光微調不能在已封裝的器件內完成，只能在晶圓級執行。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合的過(guò)程均可能導致對晶圓產(chǎn)生機械應力，這將對器件的整體精度產(chǎn)生不利影響。微調時(shí)，無(wú)法考慮此類(lèi)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，激光微調也是在生產(chǎn)時(shí)一次完成的，不能重新微調。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)下放大器的失調誤差，因為該行為可能直接影響整個(gè)設計的性能。

自動(dòng)調零架構

自動(dòng)調零架構是一種連續自校正架構，利用一個(gè)指零放大器來(lái)校正主放大器的失調電壓。該架構實(shí)現了超低失調誤差(例如，可比EPROM微調放大器低 100倍)和低失調漂移，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。該架構連續自校正輸入失調電壓，因而實(shí)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(dòng)調零放大器精度的影響微乎其微。最后要說(shuō)的是，自校正電路全部包含在片內，因此無(wú)需客戶(hù)輸入。從系統級角度來(lái)看，器件的外觀(guān)和功能就像一個(gè)標準運放，只是性能更卓越。圖 1給出了一個(gè)自動(dòng)調零運放的示例。

圖1：MCP6V0X運放采用自動(dòng)調零架構

盡管自動(dòng)調零架構有這么多優(yōu)點(diǎn)，但也有其缺點(diǎn)。內部校正電路連續開(kāi)關(guān)會(huì )產(chǎn)生開(kāi)關(guān)噪聲。該附加電路還導致給定帶寬下的靜態(tài)電流較高。最后，由于此類(lèi)器件的超高精度，測試時(shí)間可能相對較長(cháng)，導致器件的制造成本較高。

片內校準電路

Microchip的mCal技術(shù)還提供了另一種實(shí)現高精度運放的方法。該技術(shù)涉及一個(gè)片上校準電路。與所討論的其他方法非常類(lèi)似，該校準會(huì )得到非常低的初始失調電壓。但是，與EPROM微調或激光微調放大器不同，該片上校準電路在上電時(shí)有效，或者基于外部校準引腳。這使用戶(hù)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(hù)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(guò)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(zhù)降低放大器的溫度漂移，但是需要用戶(hù)切換放大器上的校準引腳啟動(dòng)校準程序。

今天的系統設計師在為其設計選擇運放時(shí)有很多選擇。大部分應用可從使用高精度運放獲益，但關(guān)鍵是設計師要清楚放大器的底層架構。雖然本文所討論的所有方法均可提供具有低初始失調電壓的放大器，但是放大器的精度因環(huán)境條件的不同而顯著(zhù)不同。使用連續自校正架構(例如自動(dòng)調零放大器)或能夠使用mCal重新校準的放大器提供了一種應對外部環(huán)境不利影響的方法。表1 匯總了這四種不同架構。

表1：精密運放架構概述