運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓

失調(diào)電壓是運(yùn)算放大器非常重要的指標(biāo)，因?yàn)?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/失調(diào)電壓">失調(diào)電壓的大小直接限制了精確信號放大的幅度，其往往也是工程師們進(jìn)行運(yùn)算放大器選型時首要考慮的指標(biāo)。與此同時，回顧運(yùn)算放大器的發(fā)展，低失調(diào)電壓一直以來都是人們所追求的。

失調(diào)電壓的來源與定義（Offset Voltage）

運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓主要是由設(shè)計中使用的器件的不匹配性造成的，如圖1所示，對于把運(yùn)算放大器的同相和反相輸入端都接地，如果Q1和Q2是參數(shù)完全相同的晶體管，才有Ic1=Ic2，同樣Q3和Q4是參數(shù)完全相同的晶體管，才有電流鏡電路的Ic3=Ic4，即只有在Q1和Q2、Q3和Q4都互相匹配，才能使得運(yùn)算放大器的輸入級的輸出Iout=0。但對于實(shí)際的運(yùn)算放大器的制造工藝無法做到晶體管百分之百的匹配，或多或少存在一定的不匹配，這種不匹配就是失調(diào)的主要來源。

圖1 運(yùn)算放大器失調(diào)電壓來源

如圖2所示，定義在運(yùn)算放大器的同相和反相輸入端之間增加的直流電壓使得運(yùn)算放大器在開環(huán)狀態(tài)下直流輸出電壓為零，這個增加的直流電壓即失調(diào)電壓，從失調(diào)電壓的來源和定義來看，失調(diào)電壓可能是正值，也有可能是負(fù)值。

圖2 運(yùn)算放大器失調(diào)電壓的定義

失調(diào)電壓溫漂（Temperature Drift）

輸入失調(diào)電壓溫度漂移（ Temperature Drift,）描述的是輸入失調(diào)電壓隨溫度變化而變化的大小，一般用uV/℃、nV/℃為單位。

對于失調(diào)電壓溫漂的數(shù)值并沒有嚴(yán)格的定義，如下式所示是常用的溫漂的計算公式之一。

圖3 失調(diào)電壓隨溫度變化示意

結(jié)合圖3所示的失調(diào)電壓隨溫度變化的曲線，可得到drift1和drift2兩個結(jié)果，即計算出的失調(diào)電壓溫漂的數(shù)值有正有負(fù)。

下式是另外一種常用的失調(diào)電壓溫漂的計算公式，采用絕對值的方式，這樣計算出來的溫漂數(shù)值只有正值。

同樣，結(jié)合圖3，可得drift的結(jié)果為0.97uV/℃。

失調(diào)電壓矯正辦法

失調(diào)電壓是影響信號鏈路設(shè)計精度最重要的運(yùn)算放大器參數(shù)之一，目前可以利用激光修整、封裝級修整、斬波器以及自穩(wěn)零的技術(shù)來降低運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓提高設(shè)計精度，本節(jié)簡單討論這些方法的基本原理，同時理解這些失調(diào)電壓矯正技術(shù)會有助于運(yùn)算放大器的選型。

• 激光修整（Laser Trim）

激光修整（Laser Trim），又稱晶圓級別的修整（Wafer Level Trim）。如圖4所示，因?yàn)榫w管的不完全匹配導(dǎo)致Iout≠0，但可以通過激光去修正Ros1和Ros2的大小來降低失調(diào)電壓。實(shí)際對于運(yùn)算放大器，在芯片的晶圓生產(chǎn)完成后，可以通過CP（Chip Probing，在晶圓制作完成之后，探針測試Die露在外的芯片管腳與測試機(jī)臺連接進(jìn)行測試。）測試監(jiān)控失調(diào)電壓然后同步修整Ros1和Ros2直到失調(diào)電壓接近零。這種方式無法修正在后續(xù)將晶圓切割成單芯片以及封裝的過程中所帶來的失調(diào)電壓漂移。

圖4 激光修整失調(diào)電壓

• 封裝級修整（Package Level Trim）

封裝級修整和激光修整都是通過調(diào)整輸入級電阻Ros1和Ros2來降低失調(diào)電壓。但封裝級修整是在最后的封裝測試完成的，如圖5所示，會在芯片內(nèi)部簡單設(shè)計修整控制電路，通過復(fù)用運(yùn)算放大器的輸出管腳來注入信號，在封裝測試的時候完成失調(diào)電壓的修整，完成修整后，修整電路被禁用，即調(diào)整成為永久性調(diào)整。這種方式不需要額外的引腳或測試點(diǎn)，與晶圓級修整相比性能得到大幅提升，還可避免由封裝應(yīng)力引起的參數(shù)變化。

圖5 封裝級修整失調(diào)電壓

• 斬波器（Chopper）

零漂（Zero Drift）運(yùn)算放大器是對于內(nèi)部有專門的校準(zhǔn)電路來降低失調(diào)電壓和溫漂的通用稱呼，有兩種常見的零漂運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)，斬波（Chopper）和自穩(wěn)零（Auto Zero）。

對于運(yùn)算放大器的輸入級是一個跨導(dǎo)放大器，放大級是一個跨阻放大器，這里為了方便討論斬波器的原理，把運(yùn)算放大器等效成如圖6所示的一個兩級結(jié)構(gòu)。

圖6 運(yùn)算放大器兩級結(jié)構(gòu)

如圖7所示，對于斬波運(yùn)算放大器，同樣有兩級。主要的區(qū)別是分別在跨導(dǎo)放大器和跨阻放大器前面增加了一組開關(guān)，用來在每一個校準(zhǔn)周期翻轉(zhuǎn)輸入信號。

圖7 斬波運(yùn)算放大器

如圖8所示，在每半個校準(zhǔn)周期內(nèi)，對應(yīng)的開關(guān)閉合。在第一個半周期內(nèi)，輸入信號在經(jīng)過第一組開關(guān)后極性翻轉(zhuǎn)，但經(jīng)過第二組開關(guān)后極性再次翻轉(zhuǎn)，這樣經(jīng)過兩次翻轉(zhuǎn)后實(shí)際輸出依然保持跟輸入信號極性一致；在第二個半周期內(nèi)，輸入信號經(jīng)過第一組開關(guān)和第二組開關(guān)極性均不發(fā)生翻轉(zhuǎn)。所以對于輸入信號來說，其并沒有受到斬波器增加的兩組開關(guān)的影響，它依然可以像圖6所示的標(biāo)準(zhǔn)兩級結(jié)構(gòu)的運(yùn)算放大器那樣工作。

圖8 斬波運(yùn)算放大器輸入信號工作原理

圖9 斬波運(yùn)算放大器失調(diào)電壓工作原理

如圖9所示，同樣在每半個校準(zhǔn)周期內(nèi)，對應(yīng)的開關(guān)閉合。在第一個半周期內(nèi)，失調(diào)電壓在經(jīng)過第一組開關(guān)后極性沒有翻轉(zhuǎn)，經(jīng)過第二組開關(guān)后極性翻轉(zhuǎn)；在第二個半周期內(nèi)，失調(diào)電壓在經(jīng)過第一組開關(guān)和第二組開關(guān)極性都沒有翻轉(zhuǎn)。這樣就導(dǎo)致失調(diào)電壓在一個校準(zhǔn)周期內(nèi)的平均值是零，并呈現(xiàn)如圖10所示的周期性三角波，當(dāng)然這個三角波并不會出現(xiàn)在運(yùn)算放大器的輸出，如圖3-11所示在斬波器后面增加了帶阻濾波器（陷波器），把跟斬波頻率對應(yīng)的失調(diào)電壓三角波信號濾除。同時為了提供更高的帶寬，如圖11所示，在斬波器通路上并聯(lián)了高頻路徑。

圖10 失調(diào)電壓經(jīng)過斬波器的波形

圖11 斬波運(yùn)算放大器完整結(jié)構(gòu)

實(shí)際上斬波器在消除失調(diào)電壓的同時還消除了傳統(tǒng)運(yùn)算放大器在頻率非常低時出現(xiàn)的1/f噪聲，更重要的是因?yàn)殡娫措妷汉凸材ｋ妷鹤儔憾鸬氖д{(diào)電壓的偏移也同樣被校準(zhǔn)掉。因此零漂運(yùn)算放大器通常具有低失調(diào)電壓、低溫漂以外，其共模抑制能力和電源抑制能力同樣良好。然而斬波運(yùn)算放大器因?yàn)榇嬖谥芷谛缘拈_關(guān)動作，這個操作會引起輸入偏置電流尖峰，對于信號源阻抗較高的應(yīng)用則會被轉(zhuǎn)換成電壓尖峰。

• 自穩(wěn)零（Auto Zero）

如圖12所示，是典型的自穩(wěn)零架構(gòu)的運(yùn)算放大器的拓?fù)?，在該電路中有兩個運(yùn)算放大器構(gòu)成，其中A1是主運(yùn)算放大器，A2是調(diào)零運(yùn)算放大器。

當(dāng)在采樣的模式下，開關(guān)S1和S2均連接到采樣端，調(diào)零運(yùn)算放大器A2將監(jiān)控A1的輸入失調(diào)電壓，并將輸出給到A1的零點(diǎn)校準(zhǔn)引腳，并通過電容C1保持，從而將其輸出調(diào)零。需要注意的是，對于調(diào)零運(yùn)算放大器A2也會存在一個輸入失調(diào)電壓，因此在對A1的輸入失調(diào)電壓校準(zhǔn)之前，A2需要先進(jìn)行自校準(zhǔn)。

在自穩(wěn)零的模式下，開關(guān)S1和S2均連接到自穩(wěn)零端，此時A2的同相輸入端和反相輸入端短接，并將其輸出給到A2自身的零點(diǎn)校準(zhǔn)引腳，并通過電容C2保持，從而將A2輸出調(diào)零。

在自穩(wěn)零架構(gòu)中，輸入信號始終通過A1連接到輸出端。因此，A1的帶寬決定了整體信號帶寬。但因?yàn)榇嬖陂_關(guān)動作，跟斬波器一樣，會導(dǎo)致額外的開關(guān)噪聲。

圖12 自穩(wěn)零運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)