精密运放不同架构的基本原理和优缺点

作者：Microchip Technology Inc，Kevin Tretter

先进技术的涌现使得集成电路的价格不断走低，越来越多的系统设计师选择高精度运放。这些器件无需在生产期间或产品实际应用时对系统进行校准，简化了系统设计和/或生产过程。然而，就失调电压低的运放来说，今天的系统设计师有许多选择。存在多种架构，包括使用非易失性存储器、激光微调、自动调零乃至片上校准电路。本文将阐明这些不同架构的基本原理，并探讨各自的优缺点。

精密运放

开始讨论各种运放架构之前，弄清楚术语“精密”运放的含义很重要。该术语通常与放大器的输入失调电压相关。顾名思义，该规范是指放大器反相输入和同相输入之间的电压差。该误差电压从数微伏到数毫伏不等，主要取决于输入晶体管的匹配程度。“精密”放大器通常采用下面讨论的架构之一，实现某种形式的输入失调校正。

在讨论精密运放时，不仅要考虑初始输入失调电压，还有必要考虑不同环境条件下该误差电压的变化。这些环境条件包含共模电压、工作电压、输出电压、温度乃至时间的变化。对于不同应用，这些外部条件可确定最适合您的设计的放大器架构。

非易失性存储器（NVM）

第一种架构使用非易失性存储器。该方法利用非易失性EPROM熔丝，对放大器的输入失调电压进行校正。很多情况下，该过程在器件的最终测试期间在封装内完成，是一种提供具有低初始失调电压的放大器的低成本方法。由于该微调是在封装后完成的，任何与封装相关的失调均得以纠正。该架构的另一个优点是不需要任何客户输入。由制造商对放大器进行微调，不需要客户做任何操作。但是， EPROM熔丝占用一定的硅面积。因此，就超小型封装来说， EPROM微调的器件存在一定程度的局限性。另外，和通用放大器一样，该架构将对环境条件比较敏感，例如，温度及共模电压或工作电压的变化。

激光微调

另一种常用于提高运放精度的方法是激光微调。该过程使用激光来调整位于硅片内的薄膜电阻的阻值。这种方法的精度相对高些，因为此微调过程是连续的（与EPROM 微调中的离散步骤不同）。激光微调薄膜电阻的另一个优点是这些电阻在不同温度下固有的稳定性，从而提高了放大器在宽温度范围内的整体精度。

但是，激光微调不能在已封装的器件内完成，只能在晶圆级执行。将晶圆切割成单个裸片、将裸片放入封装以及将裸片的管脚与封装的引脚结合的过程均可能导致对晶圆产生机械应力，这将对器件的整体精度产生不利影响。微调时，无法考虑此类与封装有关的变化，这些因素将增大放大器的误差。

同非易失性存储器熔丝一样，激光微调也是在生产时一次完成的，不能重新微调。因此，外部工作条件的变化将对放大器精度产生不利影响。应周密考虑不同外部条件（例如，温度和工作电压等）下放大器的失调误差，因为该行为可能直接影响整个设计的性能。

自动调零架构

自动调零架构是一种连续自校正架构，利用一个指零放大器来校正主放大器的失调电压。该架构实现了超低失调误差（例如，可比EPROM微调放大器低 100倍）和低失调漂移，并在提供卓越的电源抑制和共模抑制的同时消除 1/f噪声。该架构连续自校正输入失调电压，因而实质上对环境不敏感。温度变化、器件老化以及工作电压或共模电压的变化对自动调零放大器精度的影响微乎其微。最后要说的是，自校正电路全部包含在片内，因此无需客户输入。从系统级角度来看，器件的外观和功能就像一个标准运放，只是性能更卓越。图 1给出了一个自动调零运放的示例。

图1：MCP6V0X运放采用自动调零架构

尽管自动调零架构有这么多优点，但也有其缺点。内部校正电路连续开关会产生开关噪声。该附加电路还导致给定带宽下的静态电流较高。最后，由于此类器件的超高精度，测试时间可能相对较长，导致器件的制造成本较高。

片内校准电路

Microchip的mCal技术还提供了另一种实现高精度运放的方法。该技术涉及一个片上校准电路。与所讨论的其他方法非常类似，该校准会得到非常低的初始失调电压。但是，与EPROM微调或激光微调放大器不同，该片上校准电路在上电时有效，或者基于外部校准引脚。这使用户可随意重新校准放大器。稍频繁地重新校准放大器，可使放大器的精度对环境不太敏感。

例如，如果客户非常在意温度漂移，那么他们可在每次温度变化 5度时通过重新校准器件最大程度地降低漂移误差。虽然该重新校准技术可显著降低放大器的温度漂移，但是需要用户切换放大器上的校准引脚启动校准程序。

今天的系统设计师在为其设计选择运放时有很多选择。大部分应用可从使用高精度运放获益，但关键是设计师要清楚放大器的底层架构。虽然本文所讨论的所有方法均可提供具有低初始失调电压的放大器，但是放大器的精度因环境条件的不同而显著不同。使用连续自校正架构（例如自动调零放大器）或能够使用mCal重新校准的放大器提供了一种应对外部环境不利影响的方法。表1 汇总了这四种不同架构。

表1：精密运放架构概述

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