一种精密运放的数字修调技术

　　许凌飞，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，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

　　0 引言

　　20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（MOSFET，Metal Oxide Semiconductor Field EffectTransistor）这一概念^[1]；1963年，Frank Wanlass 发明了互补MOS（CMOS，Complementary Metal OxideSemiconductor Transistor）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CMOS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)不平衡而造成的，所以只要调整其中一边的电阻(或电流)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PMOS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： V_{os (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； V_{os (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（VCMCOM），熔丝模块（A-TRIM-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1000 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NMOS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；Mc1，Ma2，···Mcn为另一组电流源晶体管，由Mc0偏置，偏置电流由NMOS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，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 0001 1000001 011000 0111 1110 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-2.402 mV。经过修调后在PMOS差分对管工作的时候，失调电压约为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Vos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 Solid-StateCircuits, 1982,(17)6:969-982

　　[2] 肖本,肖明. CMOS运算放大器失调电压消除设计[J].电子科技,2015(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] Gabriel Nagy, DanielArbet and Viera Stopjaková.Digital Methods of OffsetCompensationin90nmCMOSOperationa lAmplifiers[J]. Solid-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。