许凌飞，张国俊，王 婧（电子科技大学电子薄膜与集成器材国家重点实验室，四川 成都 610054）
摘 要：提出了一种数字修调技能，该技能将数字电路与仿照电路相结合，运用数字电路可准确操控的特性，规划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能。选用该结构规划的运算放大器经过测验失调电压的巨细，并核算出相应的输入修调信号，终究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；准确操控
0 导言
20世纪80年代初期，跟着数字电路的飞速发展，数字信号处理才能日益强壮，自1925年Lilienned和Heil申请专利并首要提出了金属-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 发明晰互补MOS（CMOS，Complementary Metal OxideSemiconductor Transistor）电路，CMOS工艺很快地占据了数字范畴。CMOS工艺在数字范畴的运用，使得数字信号处理功用能够运用于硅片之上，这使许多传统意义上运用仿照电路来完结的功用能够在数字范畴完结。
得益于微电子技能的飞速发展，现代集成电路越来越趋向低电压、低功耗和高精度规划，而CMOS工艺优异的低功耗、低本钱的特性使其在仿照集成电路规划中极受喜爱。但关于运算放大器而言，选用CMOS工艺规划出的运放，假如不进行特别处理，其失调电压通常会到达10 mV以上[2]。结合此种现象，文中将一种数字修调技能运用于一个CMOS轨到轨运算放大器中，经过对其修调办法的剖析和失调电压的检测，来验证这种数字修调技能的优异功用。
1 传统的失调差错修整技能
输入失调电压是因为放大器差分输入级的电阻对(或电流)不平衡而构成的，所以只需调整其间一边的电阻(或电流)就能够减小失调电压，这便是失调差错修整技能。事实上，正是各种失调差错修整技能的呈现保证了精细放大器宗族的存在。几种常见的失调电压批改技能包括：激光修整、齐纳击穿、链接修整、EEPROM修整以及数字修整技能[3]。本文选用的失调差错修整技能为数字修整技能。
2 数字修调技能原理剖析
实践运用中数字修调技能一般时被嵌入到电路内部进行修调的，而且修调输入端口与运放的输入端口共用同一个引脚，完结引脚多功用复用规划。大致的芯片内部衔接办法如图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榜首级的输出导线上。
数字修调电路对运放修调首要分为两步。
首要别离丈量出PMOS差分对作业时的失调电压与NMOS差分对作业时的失调电压，
其间： Vos (MP1/MP2) 为P差分对管的失调电压， Vos(其它) 为P管作业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管作业时其他晶体管带来的失调电压。
核算出差分对管作业时所需的补偿电流为：
再依据芯片所需的补偿电流巨细计算出熔断某几根熔丝所需的修调输入信号，终究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。
本文中咱们所选用的数字修调技能包括三个模块，其间包括信号发生模块（VCMCOM），熔丝模块（A-TRIM-CONTRL）和开关电路模块（A-TRIM）
三个部分。下面咱们将详细对这三个模块进行功用性剖析。
2.1 信号发生模块（VCMCOM）
信号发生模块的功用是将运放输入的仿照信号经过转化变成后一级熔丝模块电路能接纳处理的数字信号。信号发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仿照电路组合而成。运放的两个输入端口别离供给时钟信号与输入有用数据信号；时钟信号与输入有用数据信号经过仿照电路转变成一个较为“洁净”的数字输出信号。当输入端口接连输入一个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位的数据一起输出传递给下一级熔丝模块电路；熔丝模块电路将会依据的输出不同的D9~D21位的数据来决议熔断本模块内的某一熔丝的熔断。VCMCOM模块的详细作业机制如下图2所示：
2.2 熔丝模块（A-TRIM-CONTRL）
熔丝模块电路由14个trim电路与相关电路衔接构成。其间trim电路起固定信号的效果，其他的电路则是一些逻辑电路，进行逻辑转化。
这部分咱们首要对trim电路的熔断机制进行剖析，trim电路的内部结构图如图3所示，其间A=1， B=0。熔丝电阻未熔断时输出Y一直为0，熔丝熔断后，Y的值坚持为1。
经过对图3电路的剖析可知，当D端口输入为1，一起E端口的输入也为1时，熔丝电阻熔断。此刻不管C=1/0，trim电路输出Y为1，明显这种熔断机制是不可逆的。
2.3 开关电路模块（A-TRIM）
开关电路模块则是经过不同的开关敞开与否来输出一个确认巨细的修调电流。其电路包括两个部分，别离为修调电路1和修调电路2。修调电路1用来校对PMOS差分对作业时电路发生的失调电压，修调电路2用来校对NMOS差分对作业时电路发生的失调电压。Itrack是用来追寻NMOS差分对的电流，开关电路模块的详细电路如图4所示：
其间Ma1，Ma2，···Man是一组电流源晶体管， 由Ma0偏置，偏置电流巨细由电流源I1操控；Mc1，Ma2，···Mcn为另一组电流源晶体管，由Mc0偏置，偏置电流由NMOS差分对的电流操控；Mb1，Mb2，···Mbn；Md1，Md2，···Mdn为两组开关晶体管，可经过数字电路操控[4]，在本电路中开关电路的操控信号来历为上一级电路中trim电路的输出Y信号经过逻辑门转化得到，经过操控这些电路的开与关来操控Me1，Me2，Me3，Me4晶体管上流过的电流的巨细。Me1，Me2，Me3，Me4晶体管也由上一级数字电路输出决议，这四个晶体管的开关用于决议修调输出由POSTRIM仍是由NEGTRIM端口发生补偿电流信号。
3 仿真与剖析
本次仿真经过测验一个两级CMOS运放的修调前后的失调电压巨细来证明此技能的适应性。关于随机失调电压，因为芯片在流片过程中，工艺或多或少存在一些差错，导致了运放晶体管的不匹配，发生了失调电压。仿真随机失调电压一般能够用蒙特卡罗剖析得出随机失调电压，可是仿真选用的电路的工艺库短少蒙特卡罗参数，因而无法运用此办法。要得到随机失调电压，咱们能够人为将输入对管的宽阔进行修正，以仿照随机失调电压的影响。
仿真测得测验芯片的失调电压如上图5所示。经计算知此刻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丈量，仿真成果如图6所示：
由仿真成果知，当输入电压较低时，PMOS差分对作业，此刻，失调电压约为1.932 mV；输入电压较高时，NMOS差分对作业，此刻，失调电压约为-2.402 mV。经过修调后在PMOS差分对管作业的时分，失调电压约为34.88 µV；NMOS差分对管作业时，失调电压约为88.74 µV。对修调后的Vos曲线，咱们能够观察到在0 V、3.1 V、5 V左右失调电压均有所，这是因为此刻补偿电流刚开始发生，或行将消失而导致的，但这些区间内失调电压改变不大，且区间小，可忽略不计。
4 定论
本文评论了一种数字修调技能，这种技能能够广泛的运用于精细运算放大器之中。文中对其原理进行了翔实地介绍，一起还将其运用到详细电路傍边，经过仿真验证，印证了技能的适应性与正确性。仿真成果知，低压作业时，未修调芯片的失调电压约为1.932 mV，高压作业时，未修调芯片的失调电压约为-2.402 mV；修调后，低压作业时，失调电压约为34.88 µV，高压作业时，失调电压约为88.74 µV。以上成果证明，将数字修调电路运用到运放之中能将运放的失调电压减小到µV等级，极大地提升了运放的功用。别的因为修调电路直接嵌入到芯片内部，运放输入与修调输入共用同一个引脚，这节省了必定的引脚资源，在必定程度上缩小了封装体积，完结小型化，降低了运用本钱。
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规划[J].电子科技,2015(2).
[3] 周文胜. 选用最新失调差错修整技能的DigiTrim精细放大器[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.
本文来历于科技期刊《电子产品世界》2020年第02期第77页，欢迎您写论文时引证，并注明出处。
