運算放大器的失調(diào)電壓

失調(diào)電壓是運算放大器非常重要的指標(biāo)，因為失調(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)行運算放大器選型時首要考慮的指標(biāo)。與此同時，回顧運算放大器的發(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，才能使得運算放大器的輸入級的輸出Iout=0。但對于實際的運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 運算放大器失調(diào)電壓來源

如圖2所示，定義在運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，因為晶體管的不完全匹配導(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。實際對于運算放大器，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，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算放大器結(jié)構(gòu)，斬波（Chopper）和自穩(wěn)零（Auto Zero）。

對于運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，把運算放大器等效成如圖6所示的一個兩級結(jié)構(gòu)。

圖6 運算放大器兩級結(jié)構(gòu)

如圖7所示，對于斬波運算放大器，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)的運算放大器那樣工作。

圖8 斬波運算放大器輸入信號工作原理

圖9 斬波運算放大器失調(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 斬波運算放大器完整結(jié)構(gòu)

實際上斬波器在消除失調(diào)電壓的同時還消除了傳統(tǒng)運算放大器在頻率非常低時出現(xiàn)的1/f噪聲，更重要的是因為電源電壓和共模電壓變壓而引起的失調(diào)電壓的偏移也同樣被校準(zhǔn)掉。因此零漂運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。然而斬波運算放大器因為存在周期性的開關(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)的運算放大器的拓?fù)?，在該電路中有兩個運算放大器構(gòu)成，其中A1是主運算放大器，A2是調(diào)零運算放大器。

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。但因為存在開關(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)零運算放大器結(jié)構(gòu)