摘要

     在精密測量過程中，系統工程師們面臨的第一個挑戰便是如何選擇具備最佳性能的運算放大器以及安裝在其周圍的其他組件。這項工作很重要。在一些有空間限制的應用中，工程師們常常會尋求體積最小的封裝，但是這種小型封裝具有一定的優勢卻無法提供理想的精度。本文討論IC 制造商用于克服精度挑戰的一些技術，并讓讀者更好地理解封裝前和封裝后用于獲得最佳性能的各種方法，甚至是使用最小體積的封裝。

高精確模擬定義

     工程師對于運算放大器(op amps)精度的定義并不一樣，其主要取決于不同的應用。在面對十多家廠商提供的數萬件放大器時，工程師常常面臨如何選出最佳性能的放大器的難題。也就是說，最高性價比——假設系統還需要其他組件。例如，石油勘探或者地震研究的震動分析應用，要求放大器擁有非常低的輸入偏移電壓，并且在長時間使用和溫度變化的情況下具有非常小的偏差漂移。只有這樣，才能保證對數字化信號的影響降至最小。換句話就是說，低噪聲、高精度的運算放大器不會嚴重影響高分辨率數據轉換器的性能，從而提供更高的精準度。相反，血糖監測儀通常對偏移和溫度偏差漂移的要求則要低得多。

圖1 便攜式震動儀的典型結構圖

圖2  血糖監測儀的典型結構圖

    大多數半導體公司都會在運算放大器精度的定義術語方面取得一致意見。實際上，他們會對其進行分組。一般而言，如果運算放大器的初始偏移電壓低于1mV 且單位增益頻寬小于50 MHz，則按照精度來進行分組。但是，這種精度與工藝技術有關，即使在相同器件中也是如此。根據不同的封裝，兩條不同規格的生產線生產出同一種放大器的情況并不常見。這是因為，更小的封裝更容易受到擠壓裸片的封裝模塑的應力。

    過去，雙極輸入器件在精度方面領先。盡管一些人認為這些器件仍然是最佳選擇（在許多方面它們的確如此），但是最近的一些CMOS 和JFET 設計取得了巨大的進步。OPA140 便是一個JFET 輸入放大器的一個例子，它擁有120 uV 的最大偏移電壓，并且在更大的工業溫度范圍其偏差漂移僅為1 uV/°C。

在不斬波的情況下實現高精度

    和系統工程師一樣，IC 設計人員使用各種IC 級技術，以實現高精度。IC 設計人員實現這種精度的一種方法是使用斬波器穩定實現，也可單獨或者聯合實現自動歸零。盡管這些技術非常有效，但是其存在一些缺點，而這些缺點讓放大器在一些應用中的表現不讓人滿意。為了解決這個問題，許多制造廠商都提供了一些IC 級修整方法，以獲得更低的偏移電壓。這種方法反過來又提高了溫度變化偏差漂移性能。但是，并非所有修整方法都擁有這種優點。一些修整方法可能并不適合于面向成本敏感性應用的設計。一般情況下，一旦定義了產品并且明確了目標應用以后，便可選定實現高精度的方法。

修整還是不修整

    一種最為古老的修整方法是“齊納去除法(Zener-zapping)”。去過，許多精密放大器都使用了這種方法。一般而言，這種方法應用于大尺寸處理器，而諸如CMOS 這樣的小型處理器使用這種方法時，成本效益較低。“齊納去除法”是一種片上處理技術。盡管可以獲得非常高的精度，但它通常要求更大的裸片面積，這讓它難以適用于小型封裝。

    激光修整是精密器件中普遍使用的一種方法，其具有許多優點，例如：測試用焊點更少、連接修整成本更低。這種方法廣泛用于差分和測量放大器，目的是改善電阻器匹配度，以及提供必要的共模抑制比(CMRR)。但是，這種方法缺少裝配后修整的能力。

    EEPROM 是我們能夠使用的另一種片上方法，但很少用于獨立放大器，因為這種方法通常要求更多的引腳和屏蔽。

    由于對精度的需求不斷增加，許多制造廠商現在會提供裝配后修整功能。這種多晶硅保險絲熔斷技術不需要額外的引腳或者測試用焊點，并且相比封裝修整方法可以節省大量的成本。這是一種真正意義上的技術突破，因為許多CMOS 放大器現在都可以達到史無前例的DC精度水平，也即百微伏以下的初始偏移和一微伏以下的偏差漂移。OPA376 是一款具有25 µV 保證偏移電壓的CMOS 輸入放大器，也可以受益于這些DC 參數。裝配后修整讓廣大IC 設計人員和布局工程師，可以克服小封裝中產生的機械應力，從而擁有小型化的優異精度。除節省成本以外，CMOS 使用這種方法，還讓更低電壓的使用成為現實。更低電壓的電源，讓用戶擁有更長的電池工作時間（便攜式應用的基本要求），并幫助節省高密度電路板的功耗，同時還提供了一種邏輯器件和微控制器的簡單接口。

     表1 概括了各種修整方法，并根據技術和制造廠商按照裝配前和裝配后對其進行分類。

表1修整方法總結

根據修整方法選擇精度

    根據修整方法選擇放大器的精度具有一定的誤導性。有時，我們在某個具體修整點完成裝配后修整。為了保持最低偏移和溫度漂移，設計可能會要求使用更多的復雜電路，其給芯片增加了大量基板面。查看數據表單規格表首頁以后的內容，了解偏移實際值及其共模變化情況，不要依賴于修整算法。

    一些制造廠商利用精密器件的成功，推出非修整版本，其可應用于不同的應用。由于成本被輕松地降低了，這種做法對IC 廠商和客戶都大有好處。

參考文獻

·         如欲下載OPA376 產品說明書，敬請訪問：http://www.ti.com.cn/product/cn/opa376。

·         如欲了解TI 運算放大器的更多詳情，敬請訪問：http://www.ti.com.cn/lsds/ti_zh/analog/amplifiersandlinears/amplifiersandlinears.page。

作者簡介

Soufiane Bendaoud 現任TI 高精度模擬產品部業務開發經理。iSoufiane 畢業于美國加州舊金山州立大學，獲電子工程理學士學位，后又畢業于舊金山大學，獲MBA。。