一種精密運放的數(shù)字修調技術

　　許凌飛，張國俊，王? 婧（電子科技大學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)字修調技術，該技術將數(shù)字電路與模擬電路相結合，利用數(shù)字電路可精確控制的特性，設計了一種輸出修調電流與輸入修調信號一一對應的失調校準技術。采用該結構設計的運算放大器通過測試失調電壓的大小，并計算出相應的輸入修調信號，最終能使運放的失調電壓減小到μV量級。
　　關鍵詞：數(shù)字修調；失調電壓；運算放大器；精確控制

　　0 引言

　　20世紀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-半導體場效應晶體管（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工藝很快地占領了數(shù)字領域。CMOS工藝在數(shù)字領域的應用，使得數(shù)字信號處理功能能夠應用于硅片之上，這使許多傳統(tǒng)意義上應用模擬電路來實現(xiàn)的功能能夠在數(shù)字領域完成。
　　得益于微電子技術的飛速發(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計中極受青睞。但對于運算放大器而言，采用CMOS工藝設計出的運放，如果不進行特殊處理，其失調電壓通常會達到10 mV以上^[2]。結合此種現(xiàn)象，文中將一種數(shù)字修調技術應用于一個CMOS軌到軌運算放大器中，通過對其修調方式的分析和失調電壓的檢測，來驗證這種數(shù)字修調技術的優(yōu)異性能。
　　1 傳統(tǒng)的失調誤差修整技術

　　輸入失調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，所以只要調整其中一邊的電阻(或電流)就可以減小失調電壓，這就是失調誤差修整技術。事實上，正是各種失調誤差修整技術的出現(xiàn)確保了精密放大器家族的存在。幾種常見的失調電壓修正技術包括：激光修整、齊納擊穿、鏈接修整、EEPROM修整以及數(shù)字修整技術^[3]。本文采用的失調誤差修整技術為數(shù)字修整技術。
　　2 數(shù)字修調技術原理分析

　　實際應用中數(shù)字修調技術一般時被嵌入到電路內部進行修調的，并且修調輸入端口與運放的輸入端口公用同一個引腳，實現(xiàn)引腳多功能復用設計。大致的芯片內部連接方式如圖1所示。BAIS為偏置電路，A-OPAMP為放大器電路，A-TRIM輸出的修調電流端口接入到是放大器第一級的輸出導線上。

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

　　其中： V_{os (MP1/MP2)} 為P差分對管的失調電壓， Vos(其它) 為P管工作時其他晶體管帶來的失調電壓； V_{os (MN1/MN2)}
　　是N差分對管的失調電壓， V′_os 為N管工作時其他晶體管帶來的失調電壓。
　　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輸入信號，最終在成片修調之時將修調輸入信號接入，燒斷相應的熔絲即可對芯片進行修調處理。
　　本文中我們所采用的數(shù)字修調技術包括三個模塊，其中包括信號產(chǎn)生模塊（VCMCOM），熔絲模塊（A-TRIM-CONTRL）和開關電路模塊（A-TRIM）
　　三個部分。下面我們將具體對這三個模塊進行功能性分析。
　　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)過模擬電路轉變成一個較為“干凈”的數(shù)字輸出信號。當輸入端口連續(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，進行邏輯轉換。
　　這部分我們主要對trim電路的熔斷機制進行分析，trim電路的內部結構圖如圖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 開關電路模塊（A-TRIM）
　　開關電路模塊則是通過不同的開關開啟與否來輸出一個確定大小的修調電流。其電路包含兩個部分，分別為修調電路1和修調電路2。修調電路1用來校正PMOS差分對工作時電路產(chǎn)生的失調電壓，修調電路2用來校正NMOS差分對工作時電路產(chǎn)生的失調電壓。Itrack是用來追蹤NMOS差分對的電流，開關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為兩組開關晶體管，可通過數(shù)字電路控制^[4]，在本電路中開關電路的控制信號來源為上一級電路中trim電路的輸出Y信號通過邏輯門轉換得到，通過控制這些電路的開與關來控制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用于決定修調輸出由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運放的修調前后的失調電壓大小來證明此技術的適應性。對于隨機失調電壓，由于芯片在流片過程中，工藝或多或少存在一些誤差，導致了運放晶體管的不匹配，產(chǎn)生了失調電壓。仿真隨機失調電壓一般可以用蒙特卡羅分析得出隨機失調電壓，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。要得到隨機失調電壓，我們可以人為將輸入對管的寬敞進行修改，以模仿隨機失調電壓的影響。

　　仿真測得測試芯片的失調電壓如上圖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后再對芯片的失調電壓進行測量，仿真結果如圖6所示：

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

　　本文討論了一種數(shù)字修調技術，這種技術可以廣泛的應用于精密運算放大器之中。文中對其原理進行了詳盡地介紹，同時還將其應用到具體電路當中，通過仿真驗證，印證了技術的適應性與正確性。仿真結果知，低壓工作時，未修調芯片的失調電壓約為1.932 mV，高壓工作時，未修調芯片的失調電壓約為-2.402 mV；修調后，低壓工作時，失調電壓約為34.88 μV，高壓工作時，失調電壓約為88.74 μV。以上結果證明，將數(shù)字修調電路應用到運放之中能將運放的失調電壓減小到μV級別，極大地提升了運放的性能。另外由于修調電路直接嵌入到芯片內部，運放輸入與修調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

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　　[3] 周文勝. 采用最新失調誤差修整技術的DigiTrim精密放大器[J/OL].電子產(chǎn)品世界www.edw.com.cn,2002.
　　[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。