运算放大器的失调电压

失调电压是运算放大器非常重要的指标，因为失调电压的大小直接限制了精确信号放大的幅度，其往往也是工程师们进行运算放大器选型时首要考虑的指标。与此同时，回顾运算放大器的发展，低失调电压一直以来都是人们所追求的。

失调电压的来源与定义（Offset Voltage）

运算放大器的失调电压主要是由设计中使用的器件的不匹配性造成的，如图1所示，对于把运算放大器的同相和反相输入端都接地，如果Q1和Q2是参数完全相同的晶体管，才有Ic1=Ic2，同样Q3和Q4是参数完全相同的晶体管，才有电流镜电路的Ic3=Ic4，即只有在Q1和Q2、Q3和Q4都互相匹配，才能使得运算放大器的输入级的输出Iout=0。但对于实际的运算放大器的制造工艺无法做到晶体管百分之百的匹配，或多或少存在一定的不匹配，这种不匹配就是失调的主要来源。

图1 运算放大器失调电压来源

如图2所示，定义在运算放大器的同相和反相输入端之间增加的直流电压使得运算放大器在开环状态下直流输出电压为零，这个增加的直流电压即失调电压，从失调电压的来源和定义来看，失调电压可能是正值，也有可能是负值。

图2 运算放大器失调电压的定义

失调电压温漂（Temperature Drift）

输入失调电压温度漂移（ Temperature Drift,）描述的是输入失调电压随温度变化而变化的大小，一般用uV/℃、nV/℃为单位。

对于失调电压温漂的数值并没有严格的定义，如下式所示是常用的温漂的计算公式之一。

图3 失调电压随温度变化示意

结合图3所示的失调电压随温度变化的曲线，可得到drift1和drift2两个结果，即计算出的失调电压温漂的数值有正有负。

下式是另外一种常用的失调电压温漂的计算公式，采用绝对值的方式，这样计算出来的温漂数值只有正值。

同样，结合图3，可得drift的结果为0.97uV/℃。

失调电压矫正办法

失调电压是影响信号链路设计精度最重要的运算放大器参数之一，目前可以利用激光修整、封装级修整、斩波器以及自稳零的技术来降低运算放大器的失调电压提高设计精度，本节简单讨论这些方法的基本原理，同时理解这些失调电压矫正技术会有助于运算放大器的选型。

• 激光修整（Laser Trim）

激光修整（Laser Trim），又称晶圆级别的修整（Wafer Level Trim）。如图4所示，因为晶体管的不完全匹配导致Iout≠0，但可以通过激光去修正Ros1和Ros2的大小来降低失调电压。实际对于运算放大器，在芯片的晶圆生产完成后，可以通过CP（Chip Probing，在晶圆制作完成之后，探针测试Die露在外的芯片管脚与测试机台连接进行测试。）测试监控失调电压然后同步修整Ros1和Ros2直到失调电压接近零。这种方式无法修正在后续将晶圆切割成单芯片以及封装的过程中所带来的失调电压漂移。

图4 激光修整失调电压

• 封装级修整（Package Level Trim）

封装级修整和激光修整都是通过调整输入级电阻Ros1和Ros2来降低失调电压。但封装级修整是在最后的封装测试完成的，如图5所示，会在芯片内部简单设计修整控制电路，通过复用运算放大器的输出管脚来注入信号，在封装测试的时候完成失调电压的修整，完成修整后，修整电路被禁用，即调整成为永久性调整。这种方式不需要额外的引脚或测试点，与晶圆级修整相比性能得到大幅提升，还可避免由封装应力引起的参数变化。

图5 封装级修整失调电压

• 斩波器（Chopper）

零漂（Zero Drift）运算放大器是对于内部有专门的校准电路来降低失调电压和温漂的通用称呼，有两种常见的零漂运算放大器结构，斩波（Chopper）和自稳零（Auto Zero）。

对于运算放大器的输入级是一个跨导放大器，放大级是一个跨阻放大器，这里为了方便讨论斩波器的原理，把运算放大器等效成如图6所示的一个两级结构。

图6 运算放大器两级结构

如图7所示，对于斩波运算放大器，同样有两级。主要的区别是分别在跨导放大器和跨阻放大器前面增加了一组开关，用来在每一个校准周期翻转输入信号。

图7 斩波运算放大器

如图8所示，在每半个校准周期内，对应的开关闭合。在第一个半周期内，输入信号在经过第一组开关后极性翻转，但经过第二组开关后极性再次翻转，这样经过两次翻转后实际输出依然保持跟输入信号极性一致；在第二个半周期内，输入信号经过第一组开关和第二组开关极性均不发生翻转。所以对于输入信号来说，其并没有受到斩波器增加的两组开关的影响，它依然可以像图6所示的标准两级结构的运算放大器那样工作。

图8 斩波运算放大器输入信号工作原理

图9 斩波运算放大器失调电压工作原理

如图9所示，同样在每半个校准周期内，对应的开关闭合。在第一个半周期内，失调电压在经过第一组开关后极性没有翻转，经过第二组开关后极性翻转；在第二个半周期内，失调电压在经过第一组开关和第二组开关极性都没有翻转。这样就导致失调电压在一个校准周期内的平均值是零，并呈现如图10所示的周期性三角波，当然这个三角波并不会出现在运算放大器的输出，如图3-11所示在斩波器后面增加了带阻滤波器（陷波器），把跟斩波频率对应的失调电压三角波信号滤除。同时为了提供更高的带宽，如图11所示，在斩波器通路上并联了高频路径。

图10 失调电压经过斩波器的波形

图11 斩波运算放大器完整结构

实际上斩波器在消除失调电压的同时还消除了传统运算放大器在频率非常低时出现的1/f噪声，更重要的是因为电源电压和共模电压变压而引起的失调电压的偏移也同样被校准掉。因此零漂运算放大器通常具有低失调电压、低温漂以外，其共模抑制能力和电源抑制能力同样良好。然而斩波运算放大器因为存在周期性的开关动作，这个操作会引起输入偏置电流尖峰，对于信号源阻抗较高的应用则会被转换成电压尖峰。

• 自稳零（Auto Zero）

如图12所示，是典型的自稳零架构的运算放大器的拓扑，在该电路中有两个运算放大器构成，其中A1是主运算放大器，A2是调零运算放大器。

当在采样的模式下，开关S1和S2均连接到采样端，调零运算放大器A2将监控A1的输入失调电压，并将输出给到A1的零点校准引脚，并通过电容C1保持，从而将其输出调零。需要注意的是，对于调零运算放大器A2也会存在一个输入失调电压，因此在对A1的输入失调电压校准之前，A2需要先进行自校准。

在自稳零的模式下，开关S1和S2均连接到自稳零端，此时A2的同相输入端和反相输入端短接，并将其输出给到A2自身的零点校准引脚，并通过电容C2保持，从而将A2输出调零。

在自稳零架构中，输入信号始终通过A1连接到输出端。因此，A1的带宽决定了整体信号带宽。但因为存在开关动作，跟斩波器一样，会导致额外的开关噪声。

图12 自稳零运算放大器结构