但是,ADI DigiTrim CMOS 运算放大器的失调电压小于 100 μv( 如 AD8603 AD8607 AD8609 AD8605 AD8606 AD8608) 精密运算放大器的 V OS 一般小于 0.5 mv, 某些高速放大器可能略差一些本教程稍后将介绍 DigiTrim 技术

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畴农
5 years ago
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1 指南运算放大器输入失调电压输入失调电压定义理想状态下, 如果运算放大器的两个输入端电压完全相同, 输出应为 0 V 实际上, 还必须在输入端施加小差分电压, 强制输出达到 0 该电压称为输入失调电压 V OS 输入失调电压可以看成是电压源 V OS, 与运算放大器的反相输入端串联, 如图 1 所示 - V OS Offset Voltage: The differential voltage which must be applied to the input of an op amp to produce zero output. Ranges: Chopper Stabilized Op Amps: <1µV General Purpose Precision Op Amps: Best Bipolar Op Amps: Best JFET Input Op Amps: High Speed Op Amps: Untrimmed CMOS Op Amps: DigiTrim CMOS Op Amps: 图 1: 典型的运算放大器输入失调电压 µV 10-25µV 100-1,000µV 100-2,000µV 5,000-50,000µV <100µV-1,000µV 斩波稳定型 ( 也称自稳零 ) 运算放大器的 V OS 小于 1 μv( 如 AD8538 AD8551 AD8571 AD8628 AD8630), 最好的精密双极性运算放大器 (super-beta 或偏置稳定型 ) 的最大失调电压可低至 25 μv(op177f) 最好的调整后 JFET 输入型运算放大器的失调电压约为 100 μv(ad8610b AD8620B), 未调整的 CMOS 运算放大器则为 5 至 50 mv Rev.0, 10/08, WK Page 1 of 10

2 但是,ADI DigiTrim CMOS 运算放大器的失调电压小于 100 μv( 如 AD8603 AD8607 AD8609 AD8605 AD8606 AD8608) 精密运算放大器的 V OS 一般小于 0.5 mv, 某些高速放大器可能略差一些本教程稍后将介绍 DigiTrim 技术输入失调电压漂移与老化效应输入失调电压随温度变化, 其温度系数称为 TCV OS, 更常见的说法是温漂失调温漂受运算放大器失调调整的影响, 但是当双极性输入运算放大器的失调电压降至最低后, 温漂可能会低至 0.1 μv/ C(OP177F 的典型值 ) 对一系列通用精密运算放大器而言, 更典型的温漂值范围为 1 至 10 μv/ C 大多数运算放大器都有 TCV OS 额定值, 但是某些却有第二个最大 V OS 值, 并保证在工作温度范围内实现这样的指标用处不大, 因为无法保证 TCV OS 稳定不变或具有单调性失调电压还会随时间变化, 也称老化老化通常以 μv/ 月或 μv/1000 小时来表示, 但是可能会有问题由于老化是一个醉汉走路现象, 与经过时间的平方根成比例因此,1 μv/1000 小时的老化率就会变成大约 3 μv/ 年 ( 而不是 9 μv/ 年 ) OP177F 的长期稳定性约为 0.3 μv/ 月这是指首次工作 30 天后的一段时间除去刚开始工作的一小时, 这些器件在最初工作 30 天内的失调电压变化通常小于 2 μv 由于自稳零电路会消除所有因老化产生的失调, 因此斩波稳定运算放大器的长期稳定性并没有明确规定测量输入失调电压测量几微伏的输入失调电压时, 测试电路产生的误差不应比失调电压本身更多图 2 所示为测量失调电压的标准电路该电路以 1001 的噪声增益放大输入失调电压, 测量采用精确数字电压表在放大器输出端完成折合到输入端 (RTI) 的失调电压通过输出电压除以噪声增益计算得出从输入端获得源阻抗较小, 因而产生的偏置电流对测量的失调电压的影响可忽略不计例如, 流经 10 Ω 电阻的 2 na 偏置电流产生的折合到输入端误差为 0.02 μv Page 2 of 10

3 , 10kΩ, 10Ω V OS V S V OUT = 1 V OS 10Ω V S V OUT = 1001 V OS V OS = V OUT kΩ For OP177F: V OS = 25µV 25C V OS DRIFT = 0.1µV/ C maximum V OS STABILITY = 0.3µV/month typical 图 2: 测量输入失调电压该电路很简单, 测试精密运算放大器时, 除非小心注意, 否则结果会不准确可能存在的最大误差源来自寄生热电偶结点, 这是在两种不同金属连接的时候形成的该热电偶电压范围可达 2 μv/ºc 至 40 μv/ºc 以上注意, 该电路的同相输入端额外增加了伪电阻, 目的是精确匹配 / 平衡反相输入路径中的热电偶结点测量精度还取决于元件的机械布局, 确切地说, 元件在 PC 板上的位置记住, 电阻等器件的两个连接点会产生两个大小相等极性相反的热电电压 ( 假定连接至相同金属, 例如 PC 板上的铜走线 ) 这两个电压会相互抵消, 前提是假定两者温度完全相同连接点整洁和引线长度较短都能够尽可能减小温度梯度, 提高测量精度应尽可能减小测试电路中的气流, 这样所有的热电偶结点就能稳定在同一温度有些情况下, 电路应安放在小型封闭容器中, 以消除外部气流的影响电路应水平放置在某个表面, 这样气流就会向上对流, 流出电路板顶部, 而不是像电路板垂直安放时那样流经元件测量整个温度范围的失调电压温漂是一项更加艰巨的挑战将含有受测放大器的印刷电路板放在采用泡沫隔离的小盒子或塑料袋中, 这样就可以防止恒温室气流导致寄生热电偶产生温度梯度如果需要进行冷测试, 建议采用干式氮吹另一种方法是用 Thermostream 加热器 / 冷却器对放大器本身采取局部温度循环, 但是, 这些器件可能会产生相当大的气流, 带来麻烦图 2 的测试电路通常适用于很多放大器采用绝对值低的小电阻 ( 如 10 Ω) 可以尽量减小偏置电流产生的误差 Page 3 of 10

4 图 3 所示是另一种 V OS 测量方法, 适合偏置电流较高和 / 或不相等的情况 ( 如采用电流反馈运算放大器时 ) 在这种测量方法中, 一个仪表放大器通过隔离电阻连接至运算放大器输入端, 并为测量提供增益然后, 仪表放大器的失调电压 ( 采用 S 闭环测量 ) 必须从最终的 V OS 测量值中减去 R P - DUT 1kΩ 1kΩ S R G V O = 1000V OS V O IN-AMP - G = 1000 图 3: 采用仪表放大器的另一种输入失调电压测量方法采用零点校准引脚调整失调电压许多单路运算放大器都有供可选失调零点校准使用的引脚为了使用这项功能, 两个引脚应通过电位计连接, 游标通过电阻移动到其中一个电源, 通常如图 4 所示注意, 如果游标不慎连接到错误的电源, 运算放大器很可能会受损, 更换运算放大器类型时, 这个问题很常见运算放大器若设计周全, 其失调调整范围不会超过最低等级器件最大 V OS 的两至三倍, 从而尽可能降低敏感度然而, 运算放大器失调调整引脚的电压增益实际上可能大于其信号输入端的增益! 因此, 必须保持这些引脚无噪声注意, 千万不要采用长引线将运算放大器连接至相距较远的零值电位计 Page 4 of 10

5 V S 2 ** V S ** Wiper connection may be to either V S or V S depending on op amp R values depend on op amp. Consult data sheet Use to null out input offset voltage, not system offsets! There may be high gain from offset pins to output Keep them quiet! Nulling offset causes increase in offset temperature coefficient, approximately 4µV/ C for 1mV offset null for FET inputs 图 4: 失调调整引脚如上所述, 运算放大器随温度产生的失调温漂会根据其失调调整设置发生变化因此, 应当只采用内部调整引脚来调整运算放大器自身的失调, 不校正任何系统失调误差, 因为这样做会导致温度漂移上升对每毫伏零点校准失调电压而言,FET 输入运算放大器的漂移影响约为 4 μv/ C 一般而言, 最好选择合适的器件 / 等级来控制失调电压失调调整 ( 外部方法 ) 如果运算放大器没有失调调整引脚 ( 常见的双路运放和所有的四路运放都没有 ), 但仍然需要调整放大器和系统失调, 就可以采用外部方法如果利用系统可编程电压完成失调调整, 这种方法同样也最有效, 例如用 DAC 采用反相运算放大器配置时, 向反相输入注入电流是最简单的方法, 如图 5A 所示这种方法的缺点是由于 R3 和电位计电阻采用并行路径, 噪声增益可能会有所上升要减少由此增加的噪声增益, 可将 ±V R 设置得足够大, 这样 R3 的值就会远大于注意, 如果电源稳定且无噪声, 就可以用作 ±V R 图 5B 显示如何通过向同相输入注入小失调电压来调整失调该电路优于图 5A 的电路, 因为不会增加噪声增益 ( 但是需要增加 R P ) 如果运算放大器与输入偏置电流匹配,R P 应等于 ( 以尽量减小增加的失调电压 ) 否则,RP 应小于 50 Ω 如果值较高, 建议在高频时将 R P 进行旁路分流 Page 5 of 10

6 (A) (B) V IN V IN V OUT V OUT R3 NOISE GAIN = 1 (R3 R A R B ) R A R B R A R B V R V R V R V R R3 R P NOISE GAIN = 1 V OUT = V IN ± R3 V R V OUT = V IN ± 1 R P R P R3 V R MAX OFFSET MAX OFFSET R P = IF I B I B- R P 50Ω IF I B I B- 图 5: 反相运算放大器外部失调调整方法在同相模式中使用运算放大器时, 可利用图 6 所示的电路注入小失调电压该电路在失调较小时效果较好, 其中 R3 可设置为远大于否则就要注意, 由于调整了失调电位计, 信号增益可能会受到影响但是, 如果 R3 连接至固定的低阻抗基准电压源 ±V R, 增益就能保持稳定 V IN V OUT R3 V R R A R B V R NOISE GAIN = 1 (R3 R A R B ) V OUT 1 V IN ± R3 V R FOR R3 >> MAX OFFSET 图 6: 同相运算放大器外部失调调整方法 Page 6 of 10

7 失调电压调整过程 DigiTrim CMOS 运算放大器系列利用数字技术的优势, 目的是尽量减小通常与 CMOS 放大器有关的失调电压失调电压调整在器件封装好之后完成数字码输入器件中, 根据器件等级将失调电压调整至 1 mv 以下不需要进行晶圆测试,ADI 公司的专利技术 DigiTrim 也不需要额外的引脚来实现该功能这些器件具有轨到轨输入和输出,NMOS 和 PMOS 并行输入级采用 DigiTrim 单独进行调整, 以尽量减小两对输入输出中的失调电压图 7 所示为典型 DigiTrim CMOS 运算放大器的功能框图 FUSE CLOCK DATA IN TRIM DATA HIGH CM TRIM LOW CM TRIM N FUSE ARRAY N V OS HIGH TRIM DAC N FUSE ARRAY N V OS LOW TRIM DAC 图 7:ADI 公司用于调整 CMOS 运算放大器的 DigiTrim 技术 DigiTrim 通过对数字加权电流源进行编程来调整失调电压调整信息以特殊的数字序列通过现有的引脚输入调整值可以暂时先编程评估, 然后经重新调整以实现最佳精度, 最后再进行永久调整调整完成后, 调整电路就会闭锁, 防止最终用户意外重新调整通过熔断晶硅熔丝实现物理调整是一种很可靠的方法, 不需要额外的焊盘或引脚, 也不需要特殊的测试设备调整可以在封装后进行, 这样就可以消除装配相关漂移由于芯片产量较高, 所以不需要进行晶圆级测试第一批采用该新技术的器件是 ADI 公司的 AD8601 AD8602 AD8604( 单路双路四路 ) 轨到轨 CMOS 放大器高低共模情况下都要进行失调调整, 从而使失调电压在整个共模输入电压范围内都小于 500 μv 运算放大器的带宽为 8 MHz, 压摆率为 5 V/μs, 每个放大器的电源电流仅为 640 μa Page 7 of 10

8 AD8603 AD8605 AD8607( 单路双路四路 ) 系列的最大失调电压在整个共模范围内为 50 μv 增益带宽为 400 khz, 每个放大器的电源电流仅为 50 μa 现在, 有必要回顾一下其他常见的调整方法 ADI 公司率先在精密放大器基准电压源数据转换器和其他线性 IC 上采用薄膜电阻和激光晶圆调整技术通过调整, 可以实现高达 16 位的精度, 由于薄膜电阻本身具有极佳的温度稳定性, 即使不用作调整, 也可以增加器件的热稳定性和精度薄膜沉积和图案成形过程都必须严格控制激光调整系统也非常昂贵因为无法进行封装内调整, 所以装配相关温漂不易补偿然而, 在需要高精度和稳定性的精密集成电路中, 晶圆级薄膜调整可以提供连续的高调整分辨率齐纳击穿通过电压使晶体管基极 - 发射极结点上的金属短路, 从而移除某个电路元件基极 - 发射极结点通常称为齐纳, 但其机制实际上是结点的雪崩击穿在基极 - 发射极结点的雪崩击穿过程中, 极高的电流密度和局部发热会引起基极和发射极结点之间产生快速金属迁移, 导致结点出现金属短路通过适当的偏置 ( 电流电压和时间 ), 短路的电阻值可以变得很低如果将一系列这样的基极 - 发射极结点与电阻串并联, 击穿选择的结点会使部分电阻串短路, 从而调整总电阻值封装好的 IC 中可以进行齐纳击穿调整, 以补偿装配相关的失调电压温漂但是, 封装内调整需要额外的封装引脚另一种晶圆级调整则需要额外的探测点由于工艺特征减少, 探测点不能有效进行调整因此, 调整所需的芯片面积相对稳定, 不受工艺尺寸的影响调整结构中需要某些双极性晶体管, 因此, 完全基于 MOS 的工艺可能不具备齐纳击穿能力这些调整属于分立式调整, 因为每次击穿都会减去预定的电阻值增加调整分辨率需要额外的晶体管和焊盘或引脚, 这会大大增加总芯片面积和 / 或封装成本该技术对大尺寸工艺而言性价比最高, 这种工艺中调整结构和探测点占总芯片面积的比例相对较小 1975 年, 在制定 OP07 行业标准的过程中,Precision Monolithics 公司率先使用了齐纳击穿调整技术 OP07 和其它类似器件必须能够采用 ±15 V 以上的电源工作因此, 他们采用相对较大的器件尺寸, 以满足高压要求, 并且额外的探测点也不会明显增加芯片面积 Page 8 of 10

9 联接调整 (link trimming) 是指采用金属切割或多晶硅联接来去除某个连接联接调整采用激光或高电流破坏并联电阻元件上的短路连接去除连接可以增加组合元件的有效电阻激光切割与薄膜激光调整的工作方式类似激光束的局部高温导致材料发生变化, 形成一个不导电区域, 从而有效切割金属或导电晶硅连接器高电流联接调整法与齐纳击穿的作用相反, 前者破坏导电连接, 后者则形成导电连接联接调整结构往往比激光调整电阻结构更紧凑, 通常不需要特殊工艺, 但是采用激光切割时, 可能必须根据激光的特点定制工艺采用高电流调整法时, 如果芯片产量较高, 可能不需要晶圆级测试激光切割法不需要额外的接触点, 但是调整结构不会随着工艺特征尺寸而调整激光切割联接不能在封装内完成, 而且芯片上要有额外的探测点此外, 它还需要有额外的封装引脚进行封装内高电流调整和齐纳击穿一样, 联接调整也是分立式的分辨率的提高需要额外的结构, 会增加面积和成本 EEPROM 调整采用特殊的非易失性数字存储器来存储调整数据存储的数据位通过片上 DAC 控制调整电流存储器电池和 DAC 随工艺特征尺寸调整封装内调整和客户系统内调整都可以实现, 从而可以调整消除装配相关漂移如果芯片产量合适, 就不需要进行晶圆级测试对正常混合信号测试器系统以外进行测试不需要特殊硬件, 不过开发测试软件可能比较复杂由于调整可以覆写, 有可能会定期对系统重新编程, 以处理长期漂移, 或根据新的要求修改系统特性重新编程的周期数量可能由工艺决定, 而且是有限的大多数 EEPROM 工艺都提供足够的覆写周期, 以便进行常规重新校准程序这种调整方法不需要特殊处理存储的调整数据在某些情况下可能会丢失, 尤其是在工作温度较高时至少需要一个额外的数字接触点 / 封装引脚将调整数据输入片上存储器该技术可用于基于 MOS 的工艺, 因为氧化物必须很薄最大的缺点是片上 DAC 很大通常大于其调整的放大器电路因此,EEPROM 调整通常用于数据转换器或系统级产品, 这种情况下 DAC 占总芯片面积的比例小得多图 8 总结了每种 ADI 调整方法的主要特点可以看出, 所有的调整方法都有各自适用的场合, 目的是构建高性能线性集成电路 Page 9 of 10

10 PROCESS TRIMMED AT: SPECIAL PROCESSING RESOLUTION DigiTrim Wafer or Final Test None Discrete Laser Trim Wafer Thin Film Resistor Continuous Zener Zap Trim Wafer None Discrete Link Trim Wafer Thin Film or Poly Resistor Discrete EEPROM Trim Wafer or Final Test EEPROM Discrete 图 8:ADI 调整工艺技术总结参考文献 : 1. Hank Zumbahlen, Basic Linear Design, Analog Devices, 2006, ISBN: Also available as Linear Circuit Design Handbook, Elsevier-Newnes, 2008, ISBN-10: , ISBN-13: Chapter Walter G. Jung, Op Amp Applications, Analog Devices, 2002, ISBN , Also available as Op Amp Applications Handbook, Elsevier/Newnes, 2005, ISBN Chapter 1. Copyright 2009, Analog Devices, Inc. All rights reserved. Analog Devices assumes no responsibility for customer product design or the use or application of customers products or for any infringements of patents or rights of others which may result from Analog Devices assistance. All trademarks and logos are property of their respective holders. Information furnished by Analog Devices applications and development tools engineers is believed to be accurate and reliable, however no responsibility is assumed by Analog Devices regarding technical accuracy and topicality of the content provided in Analog Devices Tutorials. Page 10 of 10

T stg -40 to 125 C V cc 3.8V V dc RH 0 to 100 %RH T a -40 to +125 C -0.3 to 3.6V V -0.3 to VDD+0.3 V -10 to +10 ma = 25 = 3V) VDD

1/16 T stg -40 to 125 C V cc 3.8V V dc RH 0 to 100 %RH T a -40 to +125 C -0.3 to 3.6V V -0.3 to VDD+0.3 V -10 to +10 ma (@T = 25 C, @Vdd = 3V) VDD 1.8 3.0 3.6 V (1) 0.08 0.3 µa Idd 300 450 500 µa 0.25

但是,ADI DigiTrim CMOS 运算放大器的失调电压小于 100 μv( 如 AD8603 AD8607 AD8609 AD8605 AD8606 AD8608) 精密 运算放大器的 V OS 一般小于 0.5 mv, 某些高速放大器可能略差一些 本教程稍后将介绍 DigiTrim 技术

但是,ADI DigiTrim CMOS 运算放大器的失调电压小于 100 μv( 如 AD8603 AD8607 AD8609 AD8605 AD8606 AD8608) 精密运算放大器的 V OS 一般小于 0.5 mv, 某些高速放大器可能略差一些本教程稍后将介绍 DigiTrim 技术