作者：Microchip Technology Inc，Kevin Tretter

先進技術的涌現使得集成電路的價格不斷走低，越來越多的系統設計師選擇高精度運放。這些器件無需在生產期間或產品實際應用時對系統進行校準，簡化了系統設計和/或生產過程。然而，就失調電壓低的運放來說，今天的系統設計師有許多選擇。存在多種架構，包括使用非易失性存儲器、激光微調、自動調零乃至片上校準電路。本文將闡明這些不同架構的基本原理，并探討各自的優缺點。

精密運放

開始討論各種運放架構之前，弄清楚術語“精密”運放的含義很重要。該術語通常與放大器的輸入失調電壓相關。顧名思義，該規范是指放大器反相輸入和同相輸入之間的電壓差。該誤差電壓從數微伏到數毫伏不等，主要取決于輸入晶體管的匹配程度。“精密”放大器通常采用下面討論的架構之一，實現某種形式的輸入失調校正。

在討論精密運放時，不僅要考慮初始輸入失調電壓，還有必要考慮不同環境條件下該誤差電壓的變化。這些環境條件包含共模電壓、工作電壓、輸出電壓、溫度乃至時間的變化。對于不同應用，這些外部條件可確定最適合您的設計的放大器架構。

非易失性存儲器（NVM）

第一種架構使用非易失性存儲器。該方法利用非易失性EPROM熔絲，對放大器的輸入失調電壓進行校正。很多情況下，該過程在器件的最終測試期間在封裝內完成，是一種提供具有低初始失調電壓的放大器的低成本方法。由于該微調是在封裝后完成的，任何與封裝相關的失調均得以糾正。該架構的另一個優點是不需要任何客戶輸入。由制造商對放大器進行微調，不需要客戶做任何操作。但是， EPROM熔絲占用一定的硅面積。因此，就超小型封裝來說， EPROM微調的器件存在一定程度的局限性。另外，和通用放大器一樣，該架構將對環境條件比較敏感，例如，溫度及共模電壓或工作電壓的變化。

激光微調

另一種常用于提高運放精度的方法是激光微調。該過程使用激光來調整位于硅片內的薄膜電阻的阻值。這種方法的精度相對高些，因為此微調過程是連續的（與EPROM 微調中的離散步驟不同）。激光微調薄膜電阻的另一個優點是這些電阻在不同溫度下固有的穩定性，從而提高了放大器在寬溫度范圍內的整體精度。

但是，激光微調不能在已封裝的器件內完成，只能在晶圓級執行。將晶圓切割成單個裸片、將裸片放入封裝以及將裸片的管腳與封裝的引腳結合的過程均可能導致對晶圓產生機械應力，這將對器件的整體精度產生不利影響。微調時，無法考慮此類與封裝有關的變化，這些因素將增大放大器的誤差。

同非易失性存儲器熔絲一樣，激光微調也是在生產時一次完成的，不能重新微調。因此，外部工作條件的變化將對放大器精度產生不利影響。應周密考慮不同外部條件（例如，溫度和工作電壓等）下放大器的失調誤差，因為該行為可能直接影響整個設計的性能。

自動調零架構

自動調零架構是一種連續自校正架構，利用一個指零放大器來校正主放大器的失調電壓。該架構實現了超低失調誤差（例如，可比EPROM微調放大器低 100倍）和低失調漂移，并在提供卓越的電源抑制和共模抑制的同時消除 1/f噪聲。該架構連續自校正輸入失調電壓，因而實質上對環境不敏感。溫度變化、器件老化以及工作電壓或共模電壓的變化對自動調零放大器精度的影響微乎其微。最后要說的是，自校正電路全部包含在片內，因此無需客戶輸入。從系統級角度來看，器件的外觀和功能就像一個標準運放，只是性能更卓越。圖 1給出了一個自動調零運放的示例。

圖1：MCP6V0X運放采用自動調零架構

盡管自動調零架構有這么多優點，但也有其缺點。內部校正電路連續開關會產生開關噪聲。該附加電路還導致給定帶寬下的靜態電流較高。最后，由于此類器件的超高精度，測試時間可能相對較長，導致器件的制造成本較高。

片內校準電路

Microchip的mCal技術還提供了另一種實現高精度運放的方法。該技術涉及一個片上校準電路。與所討論的其他方法非常類似，該校準會得到非常低的初始失調電壓。但是，與EPROM微調或激光微調放大器不同，該片上校準電路在上電時有效，或者基于外部校準引腳。這使用戶可隨意重新校準放大器。稍頻繁地重新校準放大器，可使放大器的精度對環境不太敏感。

例如，如果客戶非常在意溫度漂移，那么他們可在每次溫度變化 5度時通過重新校準器件最大程度地降低漂移誤差。雖然該重新校準技術可顯著降低放大器的溫度漂移，但是需要用戶切換放大器上的校準引腳啟動校準程序。

今天的系統設計師在為其設計選擇運放時有很多選擇。大部分應用可從使用高精度運放獲益，但關鍵是設計師要清楚放大器的底層架構。雖然本文所討論的所有方法均可提供具有低初始失調電壓的放大器，但是放大器的精度因環境條件的不同而顯著不同。使用連續自校正架構（例如自動調零放大器）或能夠使用mCal重新校準的放大器提供了一種應對外部環境不利影響的方法。表1 匯總了這四種不同架構。

表1：精密運放架構概述

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