一種精密運放的數(shù)字修調(diào)技術(shù)

　　許凌飛，張國俊，王? 婧（電子科技大學(xué)電子薄膜與集成器件國家重點實驗室，四川 成都 610054）
　　摘? 要：提出了一種數(shù)字修調(diào)技術(shù)，該技術(shù)將數(shù)字電路與模擬電路相結(jié)合，利用數(shù)字電路可精確控制的特性，設(shè)計了一種輸出修調(diào)電流與輸入修調(diào)信號一一對應(yīng)的失調(diào)校準(zhǔn)技術(shù)。采用該結(jié)構(gòu)設(shè)計的運算放大器通過測試失調(diào)電壓的大小，并計算出相應(yīng)的輸入修調(diào)信號，最終能使運放的失調(diào)電壓減小到μV量級。
　　關(guān)鍵詞：數(shù)字修調(diào)；失調(diào)電壓；運算放大器；精確控制

　　0 引言

　　20世紀(jì)80年代初期，隨著數(shù)字電路的飛速發(fā)展，數(shù)字信號處理能力日益強大，自1925年Lilienned和Heil申請專利并率先提出了金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET，Metal Oxide Semiconductor Field EffectTransistor）這一概念^[1]；1963年，F(xiàn)rank Wanlass 發(fā)明了互補MOS（CMOS，Complementary Metal OxideSemiconductor Transistor）電路，CMOS工藝很快地占領(lǐng)了數(shù)字領(lǐng)域。CMOS工藝在數(shù)字領(lǐng)域的應(yīng)用，使得數(shù)字信號處理功能能夠應(yīng)用于硅片之上，這使許多傳統(tǒng)意義上應(yīng)用模擬電路來實現(xiàn)的功能能夠在數(shù)字領(lǐng)域完成。
　　得益于微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代集成電路越來越趨向低電壓、低功耗和高精度設(shè)計，而CMOS工藝優(yōu)異的低功耗、低成本的特性使其在模擬集成電路設(shè)計中極受青睞。但對于運算放大器而言，采用CMOS工藝設(shè)計出的運放，如果不進(jìn)行特殊處理，其失調(diào)電壓通常會達(dá)到10 mV以上^[2]。結(jié)合此種現(xiàn)象，文中將一種數(shù)字修調(diào)技術(shù)應(yīng)用于一個CMOS軌到軌運算放大器中，通過對其修調(diào)方式的分析和失調(diào)電壓的檢測，來驗證這種數(shù)字修調(diào)技術(shù)的優(yōu)異性能。
　　1 傳統(tǒng)的失調(diào)誤差修整技術(shù)

　　輸入失調(diào)電壓是由于放大器差分輸入級的電阻對(或電流)不平衡而造成的，所以只要調(diào)整其中一邊的電阻(或電流)就可以減小失調(diào)電壓，這就是失調(diào)誤差修整技術(shù)。事實上，正是各種失調(diào)誤差修整技術(shù)的出現(xiàn)確保了精密放大器家族的存在。幾種常見的失調(diào)電壓修正技術(shù)包括：激光修整、齊納擊穿、鏈接修整、EEPROM修整以及數(shù)字修整技術(shù)^[3]。本文采用的失調(diào)誤差修整技術(shù)為數(shù)字修整技術(shù)。
　　2 數(shù)字修調(diào)技術(shù)原理分析

　　實際應(yīng)用中數(shù)字修調(diào)技術(shù)一般時被嵌入到電路內(nèi)部進(jìn)行修調(diào)的，并且修調(diào)輸入端口與運放的輸入端口公用同一個引腳，實現(xiàn)引腳多功能復(fù)用設(shè)計。大致的芯片內(nèi)部連接方式如圖1所示。BAIS為偏置電路，A-OPAMP為放大器電路，A-TRIM輸出的修調(diào)電流端口接入到是放大器第一級的輸出導(dǎo)線上。

　　數(shù)字修調(diào)電路對運放修調(diào)主要分為兩步。
　　首先分別測量出PMOS差分對工作時的失調(diào)電壓與NMOS差分對工作時的失調(diào)電壓，

　　其中： V_{os (MP1/MP2)} 為P差分對管的失調(diào)電壓， Vos(其它) 為P管工作時其他晶體管帶來的失調(diào)電壓； V_{os (MN1/MN2)}
　　是N差分對管的失調(diào)電壓， V′_os 為N管工作時其他晶體管帶來的失調(diào)電壓。
　　計算出差分對管工作時所需的補償電流為：

　　再根據(jù)芯片所需的補償電流大小推算出熔斷某幾根熔絲所需的修調(diào)輸入信號，最終在成片修調(diào)之時將修調(diào)輸入信號接入，燒斷相應(yīng)的熔絲即可對芯片進(jìn)行修調(diào)處理。
　　本文中我們所采用的數(shù)字修調(diào)技術(shù)包括三個模塊，其中包括信號產(chǎn)生模塊（VCMCOM），熔絲模塊（A-TRIM-CONTRL）和開關(guān)電路模塊（A-TRIM）
　　三個部分。下面我們將具體對這三個模塊進(jìn)行功能性分析。
　　2.1 信號產(chǎn)生模塊（VCMCOM）
　　信號產(chǎn)生模塊的功能是將運放輸入的模擬信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換變成后一級熔絲模塊電路能接收處理的數(shù)字信號。信號產(chǎn)生模塊由一個五位計數(shù)器、29位移位寄存器和相關(guān)邏輯門與模擬電路組合而成。運放的兩個輸入端口分別提供時鐘信號與輸入有效數(shù)據(jù)信號；時鐘信號與輸入有效數(shù)據(jù)信號經(jīng)過模擬電路轉(zhuǎn)變成一個較為“干凈”的數(shù)字輸出信號。當(dāng)輸入端口連續(xù)輸入一個1000 0001 D9~D21 0111 1110的固定包頭包尾信號之時，29位移位寄存器將會將D9~D21位的數(shù)據(jù)同時輸出傳遞給下一級熔絲模塊電路；熔絲模塊電路將會根據(jù)的輸出不同的D9~D21位的數(shù)據(jù)來決定熔斷本模塊內(nèi)的某一熔絲的熔斷。VCMCOM模塊的具體工作機制如下圖2所示：

　　2.2 熔絲模塊（A-TRIM-CONTRL）
　　熔絲模塊電路由14個trim電路與相關(guān)電路連接形成。其中trim電路起固定信號的作用，其他的電路則是一些邏輯電路，進(jìn)行邏輯轉(zhuǎn)換。
　　這部分我們主要對trim電路的熔斷機制進(jìn)行分析，trim電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，其中A=1， B=0。熔絲電阻未熔斷時輸出Y始終為0，熔絲熔斷后，Y的值保持為1。
　　通過對圖3電路的分析可知，當(dāng)D端口輸入為1，同時E端口的輸入也為1時，熔絲電阻熔斷。此時無論C=1/0，trim電路輸出Y為1，顯然這種熔斷機制是不可逆的。

　　2.3 開關(guān)電路模塊（A-TRIM）
　　開關(guān)電路模塊則是通過不同的開關(guān)開啟與否來輸出一個確定大小的修調(diào)電流。其電路包含兩個部分，分別為修調(diào)電路1和修調(diào)電路2。修調(diào)電路1用來校正PMOS差分對工作時電路產(chǎn)生的失調(diào)電壓，修調(diào)電路2用來校正NMOS差分對工作時電路產(chǎn)生的失調(diào)電壓。Itrack是用來追蹤NMOS差分對的電流，開關(guān)電路模塊的具體電路如圖4所示：

　　其中Ma1，Ma2，···Man是一組電流源晶體管， 由Ma0偏置，偏置電流大小由電流源I1控制；Mc1，Ma2，···Mcn為另一組電流源晶體管，由Mc0偏置，偏置電流由NMOS差分對的電流控制；Mb1，Mb2，···Mbn；Md1，Md2，···Mdn為兩組開關(guān)晶體管，可通過數(shù)字電路控制^[4]，在本電路中開關(guān)電路的控制信號來源為上一級電路中trim電路的輸出Y信號通過邏輯門轉(zhuǎn)換得到，通過控制這些電路的開與關(guān)來控制Me1，Me2，Me3，Me4晶體管上流過的電流的大小。Me1，Me2，Me3，Me4晶體管也由上一級數(shù)字電路輸出決定，這四個晶體管的開關(guān)用于決定修調(diào)輸出由POSTRIM還是由NEGTRIM端口產(chǎn)生補償電流信號。

　　3 仿真與分析

　　本次仿真通過測試一個兩級CMOS運放的修調(diào)前后的失調(diào)電壓大小來證明此技術(shù)的適應(yīng)性。對于隨機失調(diào)電壓，由于芯片在流片過程中，工藝或多或少存在一些誤差，導(dǎo)致了運放晶體管的不匹配，產(chǎn)生了失調(diào)電壓。仿真隨機失調(diào)電壓一般可以用蒙特卡羅分析得出隨機失調(diào)電壓，但是仿真采用的電路的工藝庫缺少蒙特卡羅參數(shù)，因此無法使用此方法。要得到隨機失調(diào)電壓，我們可以人為將輸入對管的寬敞進(jìn)行修改，以模仿隨機失調(diào)電壓的影響。

　　仿真測得測試芯片的失調(diào)電壓如上圖5所示。經(jīng)推算知此時在輸入的一個端口輸入一個T = 1 μs， f = 1 MHz的時鐘信號，另一個端口輸入脈沖寬度為1 μs，脈沖序列為1000 0001 1000001 011000 0111 1110 1000 00010110000 010000 0111 1110后再對芯片的失調(diào)電壓進(jìn)行測量，仿真結(jié)果如圖6所示：

　　由仿真結(jié)果知，當(dāng)輸入電壓較低時，PMOS差分對工作，此時，失調(diào)電壓約為1.932 mV；輸入電壓較高時，NMOS差分對工作，此時，失調(diào)電壓約為-2.402 mV。經(jīng)過修調(diào)后在PMOS差分對管工作的時候，失調(diào)電壓約為34.88 μV；NMOS差分對管工作時，失調(diào)電壓約為88.74 μV。對修調(diào)后的Vos曲線，我們可以觀察到在0 V、3.1 V、5 V左右失調(diào)電壓均有所，這是由于此時補償電流剛開始產(chǎn)生，或即將消失而導(dǎo)致的，但這些區(qū)間內(nèi)失調(diào)電壓變化不大，且區(qū)間小，可忽略不計。
　　4 結(jié)論

　　本文討論了一種數(shù)字修調(diào)技術(shù)，這種技術(shù)可以廣泛的應(yīng)用于精密運算放大器之中。文中對其原理進(jìn)行了詳盡地介紹，同時還將其應(yīng)用到具體電路當(dāng)中，通過仿真驗證，印證了技術(shù)的適應(yīng)性與正確性。仿真結(jié)果知，低壓工作時，未修調(diào)芯片的失調(diào)電壓約為1.932 mV，高壓工作時，未修調(diào)芯片的失調(diào)電壓約為-2.402 mV；修調(diào)后，低壓工作時，失調(diào)電壓約為34.88 μV，高壓工作時，失調(diào)電壓約為88.74 μV。以上結(jié)果證明，將數(shù)字修調(diào)電路應(yīng)用到運放之中能將運放的失調(diào)電壓減小到μV級別，極大地提升了運放的性能。另外由于修調(diào)電路直接嵌入到芯片內(nèi)部，運放輸入與修調(diào)輸入公用同一個引腳，這節(jié)省了一定的引腳資源，在一定程度上縮小了封裝體積，實現(xiàn)小型化，降低了使用成本。
　　參考文獻(xiàn)

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　　[4] Gabriel Nagy, DanielArbet and Viera Stopjaková.Digital Methods of OffsetCompensationin90nmCMOSOperationa lAmplifiers[J]. Solid-StateCircuit, IEEE Journal of, 2013.
　　本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2020年第02期第77頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。