失調(diào)電壓是運(yùn)算放大器非常重要的指標(biāo)，因?yàn)?a class="contentlabel" href="http://www.j9360.com/news/listbylabel/label/失調(diào)電壓">失調(diào)電壓的大小直接限制了精確信號(hào)放大的幅度，其往往也是工程師們進(jìn)行運(yùn)算放大器選型時(shí)首要考慮的指標(biāo)。與此同時(shí)，回顧運(yùn)算放大器的發(fā)展，低失調(diào)電壓一直以來(lái)都是人們所追求的。

失調(diào)電壓的來(lái)源與定義（Offset Voltage）

運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓主要是由設(shè)計(jì)中使用的器件的不匹配性造成的，如圖1所示，對(duì)于把運(yùn)算放大器的同相和反相輸入端都接地，如果Q1和Q2是參數(shù)完全相同的晶體管，才有Ic1=Ic2，同樣Q3和Q4是參數(shù)完全相同的晶體管，才有電流鏡電路的Ic3=Ic4，即只有在Q1和Q2、Q3和Q4都互相匹配，才能使得運(yùn)算放大器的輸入級(jí)的輸出Iout=0。但對(duì)于實(shí)際的運(yùn)算放大器的制造工藝無(wú)法做到晶體管百分之百的匹配，或多或少存在一定的不匹配，這種不匹配就是失調(diào)的主要來(lái)源。

圖1 運(yùn)算放大器失調(diào)電壓來(lái)源

如圖2所示，定義在運(yùn)算放大器的同相和反相輸入端之間增加的直流電壓使得運(yùn)算放大器在開(kāi)環(huán)狀態(tài)下直流輸出電壓為零，這個(gè)增加的直流電壓即失調(diào)電壓，從失調(diào)電壓的來(lái)源和定義來(lái)看，失調(diào)電壓可能是正值，也有可能是負(fù)值。

圖2 運(yùn)算放大器失調(diào)電壓的定義

失調(diào)電壓溫漂（Temperature Drift）

輸入失調(diào)電壓溫度漂移（ Temperature Drift,）描述的是輸入失調(diào)電壓隨溫度變化而變化的大小，一般用uV/℃、nV/℃為單位。

對(duì)于失調(diào)電壓溫漂的數(shù)值并沒(méi)有嚴(yán)格的定義，如下式所示是常用的溫漂的計(jì)算公式之一。

圖3 失調(diào)電壓隨溫度變化示意

結(jié)合圖3所示的失調(diào)電壓隨溫度變化的曲線，可得到drift1和drift2兩個(gè)結(jié)果，即計(jì)算出的失調(diào)電壓溫漂的數(shù)值有正有負(fù)。

下式是另外一種常用的失調(diào)電壓溫漂的計(jì)算公式，采用絕對(duì)值的方式，這樣計(jì)算出來(lái)的溫漂數(shù)值只有正值。

同樣，結(jié)合圖3，可得drift的結(jié)果為0.97uV/℃。

失調(diào)電壓矯正辦法

失調(diào)電壓是影響信號(hào)鏈路設(shè)計(jì)精度最重要的運(yùn)算放大器參數(shù)之一，目前可以利用激光修整、封裝級(jí)修整、斬波器以及自穩(wěn)零的技術(shù)來(lái)降低運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓提高設(shè)計(jì)精度，本節(jié)簡(jiǎn)單討論這些方法的基本原理，同時(shí)理解這些失調(diào)電壓矯正技術(shù)會(huì)有助于運(yùn)算放大器的選型。

• 激光修整（Laser Trim）

激光修整（Laser Trim），又稱晶圓級(jí)別的修整（Wafer Level Trim）。如圖4所示，因?yàn)榫w管的不完全匹配導(dǎo)致Iout≠0，但可以通過(guò)激光去修正Ros1和Ros2的大小來(lái)降低失調(diào)電壓。實(shí)際對(duì)于運(yùn)算放大器，在芯片的晶圓生產(chǎn)完成后，可以通過(guò)CP（Chip Probing，在晶圓制作完成之后，探針測(cè)試Die露在外的芯片管腳與測(cè)試機(jī)臺(tái)連接進(jìn)行測(cè)試。）測(cè)試監(jiān)控失調(diào)電壓然后同步修整Ros1和Ros2直到失調(diào)電壓接近零。這種方式無(wú)法修正在后續(xù)將晶圓切割成單芯片以及封裝的過(guò)程中所帶來(lái)的失調(diào)電壓漂移。

圖4 激光修整失調(diào)電壓

• 封裝級(jí)修整（Package Level Trim）

封裝級(jí)修整和激光修整都是通過(guò)調(diào)整輸入級(jí)電阻Ros1和Ros2來(lái)降低失調(diào)電壓。但封裝級(jí)修整是在最后的封裝測(cè)試完成的，如圖5所示，會(huì)在芯片內(nèi)部簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)修整控制電路，通過(guò)復(fù)用運(yùn)算放大器的輸出管腳來(lái)注入信號(hào)，在封裝測(cè)試的時(shí)候完成失調(diào)電壓的修整，完成修整后，修整電路被禁用，即調(diào)整成為永久性調(diào)整。這種方式不需要額外的引腳或測(cè)試點(diǎn)，與晶圓級(jí)修整相比性能得到大幅提升，還可避免由封裝應(yīng)力引起的參數(shù)變化。

圖5 封裝級(jí)修整失調(diào)電壓

• 斬波器（Chopper）

零漂（Zero Drift）運(yùn)算放大器是對(duì)于內(nèi)部有專門的校準(zhǔn)電路來(lái)降低失調(diào)電壓和溫漂的通用稱呼，有兩種常見(jiàn)的零漂運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)，斬波（Chopper）和自穩(wěn)零（Auto Zero）。

對(duì)于運(yùn)算放大器的輸入級(jí)是一個(gè)跨導(dǎo)放大器，放大級(jí)是一個(gè)跨阻放大器，這里為了方便討論斬波器的原理，把運(yùn)算放大器等效成如圖6所示的一個(gè)兩級(jí)結(jié)構(gòu)。

圖6 運(yùn)算放大器兩級(jí)結(jié)構(gòu)

如圖7所示，對(duì)于斬波運(yùn)算放大器，同樣有兩級(jí)。主要的區(qū)別是分別在跨導(dǎo)放大器和跨阻放大器前面增加了一組開(kāi)關(guān)，用來(lái)在每一個(gè)校準(zhǔn)周期翻轉(zhuǎn)輸入信號(hào)。

圖7 斬波運(yùn)算放大器

如圖8所示，在每半個(gè)校準(zhǔn)周期內(nèi)，對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)閉合。在第一個(gè)半周期內(nèi)，輸入信號(hào)在經(jīng)過(guò)第一組開(kāi)關(guān)后極性翻轉(zhuǎn)，但經(jīng)過(guò)第二組開(kāi)關(guān)后極性再次翻轉(zhuǎn)，這樣經(jīng)過(guò)兩次翻轉(zhuǎn)后實(shí)際輸出依然保持跟輸入信號(hào)極性一致；在第二個(gè)半周期內(nèi)，輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)第一組開(kāi)關(guān)和第二組開(kāi)關(guān)極性均不發(fā)生翻轉(zhuǎn)。所以對(duì)于輸入信號(hào)來(lái)說(shuō)，其并沒(méi)有受到斬波器增加的兩組開(kāi)關(guān)的影響，它依然可以像圖6所示的標(biāo)準(zhǔn)兩級(jí)結(jié)構(gòu)的運(yùn)算放大器那樣工作。

圖8 斬波運(yùn)算放大器輸入信號(hào)工作原理

圖9 斬波運(yùn)算放大器失調(diào)電壓工作原理

如圖9所示，同樣在每半個(gè)校準(zhǔn)周期內(nèi)，對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)閉合。在第一個(gè)半周期內(nèi)，失調(diào)電壓在經(jīng)過(guò)第一組開(kāi)關(guān)后極性沒(méi)有翻轉(zhuǎn)，經(jīng)過(guò)第二組開(kāi)關(guān)后極性翻轉(zhuǎn)；在第二個(gè)半周期內(nèi)，失調(diào)電壓在經(jīng)過(guò)第一組開(kāi)關(guān)和第二組開(kāi)關(guān)極性都沒(méi)有翻轉(zhuǎn)。這樣就導(dǎo)致失調(diào)電壓在一個(gè)校準(zhǔn)周期內(nèi)的平均值是零，并呈現(xiàn)如圖10所示的周期性三角波，當(dāng)然這個(gè)三角波并不會(huì)出現(xiàn)在運(yùn)算放大器的輸出，如圖3-11所示在斬波器后面增加了帶阻濾波器（陷波器），把跟斬波頻率對(duì)應(yīng)的失調(diào)電壓三角波信號(hào)濾除。同時(shí)為了提供更高的帶寬，如圖11所示，在斬波器通路上并聯(lián)了高頻路徑。

圖10 失調(diào)電壓經(jīng)過(guò)斬波器的波形

圖11 斬波運(yùn)算放大器完整結(jié)構(gòu)

實(shí)際上斬波器在消除失調(diào)電壓的同時(shí)還消除了傳統(tǒng)運(yùn)算放大器在頻率非常低時(shí)出現(xiàn)的1/f噪聲，更重要的是因?yàn)殡娫措妷汉凸材ｋ妷鹤儔憾鸬氖д{(diào)電壓的偏移也同樣被校準(zhǔn)掉。因此零漂運(yùn)算放大器通常具有低失調(diào)電壓、低溫漂以外，其共模抑制能力和電源抑制能力同樣良好。然而斬波運(yùn)算放大器因?yàn)榇嬖谥芷谛缘拈_(kāi)關(guān)動(dòng)作，這個(gè)操作會(huì)引起輸入偏置電流尖峰，對(duì)于信號(hào)源阻抗較高的應(yīng)用則會(huì)被轉(zhuǎn)換成電壓尖峰。

• 自穩(wěn)零（Auto Zero）

如圖12所示，是典型的自穩(wěn)零架構(gòu)的運(yùn)算放大器的拓?fù)洌谠撾娐分杏袃蓚€(gè)運(yùn)算放大器構(gòu)成，其中A1是主運(yùn)算放大器，A2是調(diào)零運(yùn)算放大器。

當(dāng)在采樣的模式下，開(kāi)關(guān)S1和S2均連接到采樣端，調(diào)零運(yùn)算放大器A2將監(jiān)控A1的輸入失調(diào)電壓，并將輸出給到A1的零點(diǎn)校準(zhǔn)引腳，并通過(guò)電容C1保持，從而將其輸出調(diào)零。需要注意的是，對(duì)于調(diào)零運(yùn)算放大器A2也會(huì)存在一個(gè)輸入失調(diào)電壓，因此在對(duì)A1的輸入失調(diào)電壓校準(zhǔn)之前，A2需要先進(jìn)行自校準(zhǔn)。

在自穩(wěn)零的模式下，開(kāi)關(guān)S1和S2均連接到自穩(wěn)零端，此時(shí)A2的同相輸入端和反相輸入端短接，并將其輸出給到A2自身的零點(diǎn)校準(zhǔn)引腳，并通過(guò)電容C2保持，從而將A2輸出調(diào)零。

在自穩(wěn)零架構(gòu)中，輸入信號(hào)始終通過(guò)A1連接到輸出端。因此，A1的帶寬決定了整體信號(hào)帶寬。但因?yàn)榇嬖陂_(kāi)關(guān)動(dòng)作，跟斬波器一樣，會(huì)導(dǎo)致額外的開(kāi)關(guān)噪聲。

圖12 自穩(wěn)零運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)