您的位置 首页 五金配件

精密运放

精密运放   许凌飞,3张国俊,王? 婧(电子科技大学电子*薄膜与集成器件国家重点实验室,四川 成都 610…

精密运放

  许凌飞,3张国俊,王? 婧(电子科技大学电子*薄膜与集成器件国家重点实验室,四川 成都 610054)
  ?摘? 要:提出了一种数字修调¤技术,该技术将数字电路与模拟电路相结合,利用数字电路可精确控制=的特性精密运放,设计·了一种输出修调电流∫与输入修调信号一一对应的失调校准技术。采用该结构设计的运算放大器?通过测试失调电压的大小,并计算出相应的输≡入?修调信号,最终能使运放的失调电压减∵小到μV量级。
  关键词:±数字修调失调电压?运算放大器精确控制

本文引用地址:http://www.eepw.c?om.cn/article/202001/4?09345.htm

  0 引言

 2 2℃0世纪80年代初期,随着数字电?路的飞速发?展,数字信号处∣理能力日%益强大,自?1925年Lilienned和Heil申请专利并率先提出了金属-氧化物-半导体场效应??晶体管(MOSF?ET,Metal Oxide ?Semiconductor Field EffectTransistor)这﹢一概念[1];1963年,Fra∩nk Wanl﹢ass 发明了互补MOS(CMOS,Complementary Metal OxideSemiconductor Tra?n?sis‖tor%)?电路,CMOS工艺很快地占领了数字领域。CMOS工艺在数?字领域的应用,使得数字信号处理功能能够应用于硅片之上,这使许多传统意义上应用模拟电路来实现的功能能够在数字?领域完成。
  得益于微电子技术的飞速发展,现代集成电路越来越趋向低电压≥、低功耗和高精度设计,而C1MOS工艺优异的低功耗、低成本的特性使其在模拟集成电路设计中极受青睐。但对于?运算放大器而言,采用CMOS工艺设计出的运放,如果不进行特殊处理,其失调电≈压通常会达到10 mV以上[2]。结合此?种现象,文中将一?种数?字修调技术应用于一个CMOS轨到轨运算放大器中,通过对其修调方式的分析和失调电压的检测?,来验证这种数字修调技术的优异性能。
  1 传统的失调误?差修整技术

  输入失调电?压是由于放大器差分输㏑入级的电阻对(或电流)∷不平衡3而造成的,?所以只要调整其中一o边的电阻(或电mol流)就可以减小失调电压,这就是失调误差修整技术。事实上,正是各种失调误差修?整技术的出现确保了精∥密放大器家族的存在。几$种常见的失调电压修正技术包括:激?光修整、齐纳m击穿、链接修整、EEPROM修整以及数字修整技术?[3]。本文采用的?失调误差修整技术为数字修整技术。
  2 数字修调技术原理分析

  实际应用﹤中数字修调技术一般时被嵌入到电¥路内部进行修调的,并且修调输入端口与运放的输入端口公用同一个引脚,实现引脚多功能复用设∞计。大致的芯片内?部连接方式如图1所示。BAIS?为偏置?㎡电路,A-OPAMP为放大器电路?,A-TRIM输出的修调电流端口接入到是放大∮器第一级的输出导㎝线上。

  数<字修调电路对运放修调主要分为两+步。
  首先分别测量出P﹥M?OS差分对工作时的失调电压与NMOS差分对工作时的失调电压,

  其中: Vos (MP1/MP2) 为P差分对管的失调电压, Vos(其它) 为P管工作时其他晶体管带来¥的?失调电压; Vos (MN1/MN2)
  是N差分对管的失调电压, V′os 为N管工﹣作时其他?晶体管带来的失调电压。
  计?算出差分对?管工作时所需的补偿电流为:

  再根据芯片所需的补偿电流大小推算出≤熔断某几根熔丝所需的修调输入信号,最终在成片修?调之时将 ?修调输入信号接入,烧㎏断相应的熔丝即可对?芯片进行修调处理。
  本文中我们所采用的数字修调技术包括三个模块,其〒中包括信㏒号产生模块(VCMC?OM)?,?熔丝模块(㏕A-T?RIM-CONTRL)和开关电路模块(A-TRIM)
  三个部分。下面我们将?具体对这三个模块进行功能性分析。
  2.1 信号产生模块(VCMCOM)
  信号产生模块的功能是?将运放输入的模拟信号经过转换变成后一级熔丝模块?电路能接收处理的数字信号。信号产生模块由一个?五位计数器、29位移位寄?存器和相关逻辑门与模拟电?路组合而成。运放的两个输入端口分别提供时钟信号与?输入有效数据信号;时钟信号与输入?有效数据信号经?过模拟电路转变成一个较为“干净”∪的数字输出信号。当输入?端口连续输入一个100?0 0001 D9~D21 0111 1110的固定包头包尾信号之时,29位移位寄存器将会将D9~D21位的数据同时输出传递给下一℡级熔丝模块电路;熔丝模块电路将会根据的输出不同的D9~D21位的数据来决£定熔断本?模块内的某一熔丝的熔?断。VCMCOM模块的具体工作?机?制如下图2所示:

  2.2 熔丝模块(A-TRIM-CONTRL)
  熔丝模块电路由14个trim电路与相关电路连接×÷形成。其中trim电路起固定信号的作用,其他的电路则是一些逻?辑电路,进行逻辑≒转换。
? ℉ 这部分我们主要对trim电路的熔断机制进行分析,trim电路的内部结构图如图3所示,其中?A=1, B=0。熔丝电阻未熔断时输?出Y始终∴为0,熔丝熔断后,Y的值保持为1。
  通过对图3电路的分析可知,当D端口输入为1,同时E端口的输入也为1时,熔丝电阻熔∷断。此?时无?论C=1/0,trim电路输出Y为1,显然≌这种熔断机制是不可逆的。

  2.3 开关电路模块(A-TRIM)
?  开关电路模块/则是通过不同∟的开关开启与否来输出一个确定大小的修调电流。其电⊿路包含两个部分,分别为修调电路1和修调电路2。修?调?电路1用来校正PMOS差分对工作时电路产生的失调电压,修调电路2用来校正NMOS差分对工作时电路产生的失调电压。Itrack是用来追踪NM√OS差分对的电流,开关电路模块的具体电路如图4所示:

  其?中Ma1,Ma2,···Man是一组电流源晶体管, 由Ma0偏置,偏㏄置电流大小由电流源I1控制;M⊥c1,Ma2,···Mcn为另一组电流源晶体管,由Mc0偏置,偏置电﹣流由NMOS差分对的电流控制;Mb1,Mb2,···Mbn;Md1,Md2,·??··Mdn为两?组开关晶体管,可通过数字电路控制[4],在本电路中开关电路的控制信号来源为上一级电路¢中trim电路的输出Y信号通过逻辑门转换得到,通过控制这些电路的开与关来控制Me1,Me2,Me3,㈱Me4晶体管上流过的电流的大小。Me1,Me2,Me3,Me4晶体管也由上一级数字电路输出决定,这四个晶体管的开关用=于决定修调输出由POSTRIM还是由NEGTRIM端口产生补偿电流信号。

  3 仿真与分析

 > 本次仿真通过测试一个两级CMOS运放′的修调前后的失调电压大小来证明此技术的适应性。对于随机失?调电压μ,由于芯片在流片过程*中,工艺或多或少存在一些误差,导致了运放晶体管的不匹配,产生㎞了失调电压。仿真随机失调电压一般可以用蒙特卡罗分析得出随?机失调电压,但是仿真采用的电路的工艺库缺少蒙特卡罗参数,因此无℅法使用此方法。要得到随机失调电?压,我们可以人为将输入对管的宽敞进行修改,以模仿随机失调电压的影响。‰

  仿真测得测试芯片的失调电压如上图5所示。经推?算知此时在输入的一个端口输入一个T =? 1 μs,♀ f = 1 MHz的时钟信号,另一个端口输入脉冲宽度为1 μs,脉冲序列为1000 0001ml 1000001 011000 0111 111≦0 1000 00010110000 010000 0111 1110后再对芯片的失调电压进行测量∶,仿真结果如图6所示:

  ?由仿真结果知,当输入电?压较低时,PMOS差№分对工作≯,此∑时,失调电压约为1.932 mV;输入电压较高时,NMOS差分对工作,此时,失调电压约为-2.40?2 mV。?经过修调后在PMOS差分对管工作的时候,失调电m压约为34.88 μV;NMOS差分对管工作时∏,失调电压约-为88.74 μV。对修调后的Vo?s曲线,我们可以观察到在0 V、⌒3.1 V、5 V左右失调电压均有所,这是由于此时补偿电流刚开始?产生,或即将消失而导致的,但这?些区间?内失调电压变化不大,且区间小,可忽略不计。
  4£ 结论

?

  本文讨论了一种数§字修调技术,这种技术可以广泛的应用于精密运?算?放大器之中。文中对其原理进行了详尽地介绍?,同时还≧将其应用到具体电路当中,通过仿真验证,印证了技术的适应性与正确性。仿?真结果知″,低压工作∧时,未修调芯片的失调电压约为1.932 mV,高压工作㎎时?,未修调芯片的失调电压约为-?2.402 mV;修调后,低压工作时,失调电压约为34.88 μV,高压工作时,失调电压约为88.74 μV。以上结果证明,将数字修调电路≠应用到运放之?中能将运放的失调∽电压减小到μV级别,极大地提升?了运放的性?∠能。另外由?于修调电路直接嵌入到芯片内部,运放输入与修调输入公用同一个引脚,这◎节省了一定的引脚资源,在一定程?度上缩小了封装体积,?实现小型化,降低了使⊙用成本。
  参@考文献

  [1] Gray P. R, Meyer⊕ R. G.Mos Operational Amplifierdesign-a tutorial overview[J],IEEE Journal of S?olid-StateCircu¬its, 1982,(17)6≮:969-982

  [2] 肖本,肖明. °CMO∨S运算放?大器失调电压消除设计[J].电子科?技,∝20㎜15(2).
  [×3] 周文胜. 采用最新失调误差修整技术的DigiTrim精∈密放?大器[J/OL].电子产品世界www.edw.com.cn,2002.
  [4] Gab※riel Nagy?, DanielArbet? and Viera Stopjaková.Digital Methods of OffsetCompensationin90nmCMO?SOperationa ♂lAmplifiers[J]. Soli?d-StateCircuit, IEEE Journal of, 2013.
  本文来源于科技期刊《电子产品世界》2020年第02期第77页,欢迎您写论文时引用,并注明出处。

关于更多精密运放内容,可以收藏本网页。皮耶罗退役 一种精密运放的数字修调技术

精密运放精密运放
本文来自网络,不代表天津五金网立场,转载请注明出处:http://www.mgnqyz.com/mgnqyz/1565.html

作者: mgnqyz

联系我们

联系我们

0898-88881688

在线咨询: QQ交谈

邮箱: email@wangzhan.com

工作时间:周一至周五,9:00-17:30,节假日休息

关注微信
微信扫一扫关注我们

微信扫一扫关注我们

关注微博
返回顶部