探討失調(diào)電壓的影響方式及產(chǎn)生原因

放大器的失調(diào)電壓是工程師在直流耦合電路設計中，評估頻次極高的參數(shù)，本篇通過一個案例介紹失調(diào)電壓的影響方式，以及探討產(chǎn)生原因。

01

由失調(diào)電壓導致故障的一則案例

2019年8月11日(星期日)晚，筆者接到負責電源領域同事的信息，一家上市公司在汽車電子領域首款產(chǎn)品的小批量生產(chǎn)測試中出現(xiàn)異常，其中使用ADI放大器設計的電路發(fā)生“失效”問題，急需申請失效分析。8月12日上午現(xiàn)場拜訪該企業(yè)，工程師講述電路設計不存在問題，并且通過ADI官方指定渠道購買15片ADA4851-1，其中2片芯片所在的板卡出現(xiàn)“失效”，將“失效”板卡中ADA4851-1芯片與正常工作板卡的ADA4851-1芯片進行互換，“失效”現(xiàn)象跟隨“異常芯片”繼續(xù)復現(xiàn)，因此要求進行失效分析。

面對上述問題的現(xiàn)象描述，筆者無法定位問題的根源。與項目組負責人詳細了解電路圖和測試過程。如圖2.7，使用ADA4851-1組建差動放大電路，電路由+5V單電源供電，TP1000網(wǎng)絡由參考電壓源提供。工作中在輸入端TP1001網(wǎng)絡與TP1006網(wǎng)絡連接到地時，如果ADA4851-1的輸出端（TP1011網(wǎng)絡）電壓超出±38.7mV時，系統(tǒng)判定電路出現(xiàn)異常并終止工作，上述2片“異常芯片”的輸出電壓均超過±38.7mV。

圖2.7ADA4851-1應用電路

參考ADA4851-1的電氣參數(shù)進行分析，如圖2.8。在25℃環(huán)境中，+5V供電，電路增益為1時，輸入失調(diào)電壓的典型值為0.6mV ,最大值為3.4mV。

圖2.8 ADA4851-1輸入失調(diào)電壓

假定圖2.7中的比例電阻完全匹配，即R1000與R1010為220Ω,R1001與R1011為12KΩ。該差動放大電路的增益為54.4倍。輸入失調(diào)電壓經(jīng)過放大后的輸出應為32.7mV(典型值)時電路正常工作，但是失調(diào)電壓最大值對應的輸出值為185.5mV，已經(jīng)超出判定故障的閾值電壓。并且在+5V電壓供電時，ADA4851-1失調(diào)電壓的分布如圖2.9，輸入失調(diào)電壓為±1mV的情況出現(xiàn)頻次較高，此時對應的輸出電壓為±54.4mV，同樣超出系統(tǒng)判定的閾值電壓。

圖2.9 ADA4851-1輸入失調(diào)電壓分布

所以筆者與工程師確認，現(xiàn)有ADA4851-1應用電路的輸出電壓折算到輸入端，均在數(shù)據(jù)手冊參數(shù)范圍內(nèi)，工作不存在失效問題，該電路的軟件判定閾值設計不合理，建議整改辦法包括：

（1）調(diào)整判定故障的閾值電壓。

（2）使用低失調(diào)電壓的放大器，并類比ADA4528，在25℃環(huán)境中，+5V供電時，失調(diào)電壓最大值僅為2.5uV 如圖2.10。失調(diào)電壓的分布更為集中，如圖2.11。

圖2.10 ADA4528-1電調(diào)電壓

圖2.11 ADA4528-1失調(diào)電壓分布

通過該案例可見，失調(diào)電壓的存在，導致電路輸出產(chǎn)生直流誤差 。

02

失調(diào)電壓與漂移定義

如圖2.12（a）為放大器模型，短路放大器的兩個輸入端（Vp、Vn），如果是理想放大器其輸出電壓Vo應為0V。但是，真實放大器內(nèi)部處理Vp與Vn的輸入級存在失配，導致放大器的輸出不為0V。為了使真實放大器的輸出實現(xiàn)0V，需要在輸入管腳之間增加適合的校正電壓，稱為失調(diào)電壓(Offset voltage，Vos)。

如圖2.12（b），真實放大器的電壓傳遞曲線（VTC）不會過原點，它向左移還是右移由失配的方向決定?？梢岳斫鉃樵诶硐牖驘o失調(diào)電壓放大器的一個輸入端串聯(lián)一個小電壓源Vos，其電壓傳遞曲線如式2-1。

為了實現(xiàn)輸出電壓為0V，需要滿足式2-2。

所以放大器的兩個輸入端電壓關系是近似相等，即“虛短”原則。 Vos的取值范圍在毫伏到微伏。

圖2.12 具有失調(diào)電壓的放大器模型和電壓傳遞曲線

對于某個放大器的失調(diào)電壓是確定值，但是放大器會因為溫度、工作時間變化，使輸入失調(diào)電壓產(chǎn)生隨其變化量比值的變化，該比值稱為失調(diào)電壓漂移（Offset Voltage Drift）。

（1）變量為溫度，單位是μV/℃，表示輸入失調(diào)電壓的變化量與導致該變化的溫度變化量的比值。數(shù)據(jù)手冊提供的參數(shù)為測量溫度范圍內(nèi)的平均值，符號為ΔVOS/ΔT，或者dVOS/dT。

考慮溫度漂移的失調(diào)電壓，為式2-3。

如圖2.2，以ADA4077-1 SOIC封裝 B級芯片為例，在25℃環(huán)境中，供電電壓為±15V，失調(diào)電壓最大值為35μV,失調(diào)電壓漂移最大值為0.25μV/℃。當芯片溫度上升到75℃時，將參數(shù)代入式2-3計算失調(diào)電壓變化為47.5μV。

圖2.2 ADA4077失調(diào)電壓與溫漂

（2）變量為時間，單位是μV/Mo，表示失調(diào)電壓每月變化多少微伏。代表放大器在長期工作中失調(diào)電壓的穩(wěn)定性。

如圖2.18，ADA4077數(shù)據(jù)手冊提供實測10000小時失調(diào)電壓漂移。工程師以此模擬系統(tǒng)長期運行，可以評估在設備長期工作中放大器失調(diào)電壓的穩(wěn)定情況。

失調(diào)電壓漂移是放大器電路設計中難以處理的參數(shù)，因為它的存在隨時會產(chǎn)生新的失調(diào)電壓，所以常見的處理方法是使用失調(diào)電壓漂移參數(shù)小的放大器。

圖2.18 ADA4077實測10000小時的失調(diào)電壓長期漂移

03

失調(diào)電壓產(chǎn)生原因

(1)輸入級的制造工藝

放大器輸入失調(diào)電壓的產(chǎn)生，主要由于輸入級對稱三極管晶圓的不匹配所導致。如圖2.13，三極管（Q1，Q2）的匹配度，在一定范圍內(nèi)和晶圓面積的平方根成正比，就是說匹配度提高到原來的兩倍，晶圓面積就是原來的四倍。當達到一定水平后，增加晶圓面積也不能改善輸入失調(diào)電壓，另外增加面積會直接增加芯片的制造成本。所以，常用的方法是在放大器生產(chǎn)后再進行測試與校準，或者在輸出級使用斬波等技術改善放大器的失調(diào)電壓。

圖2.13放大器輸入級電路

如表2.1為ADI不同種類放大器的失調(diào)電壓范圍，及代表型號。

表2.1 多類放大器的失調(diào)電壓范圍和代表型號

(2)芯片封裝技術

放大器的封裝類型，通常包括SOIC、MSOP、LFCSP、SOT-23幾種，大多數(shù)放大器的封裝不會影響失調(diào)電壓。如圖2.14所示ADA4528-1 有MSOP、LFCSP封裝兩種，失調(diào)電壓的典型值，最大值、最小值沒有因為封裝而不同，如圖2.10。

圖2.14 ADA4528-1封裝示意圖

但是少數(shù)放大器的封裝技術會影響放大器的失調(diào)電壓。如圖2.2，ADA4077-2 A級的MSOP封裝芯片的失調(diào)電壓最大值為90μV，典型值為50μV。同等條件下SOIC封裝的ADA4077-2 A級芯片的失調(diào)電壓最大值為50μV，典型值為15μV。兩種封裝失調(diào)電壓的分布也存在明顯區(qū)別，其中SOIC封裝的失調(diào)電壓分布相對集中，如圖2.15。

圖2.15 ADA4077-2MSOP與SOIC封裝的失調(diào)電壓分布

注：芯片規(guī)格書中常見A級、B級產(chǎn)品，在生產(chǎn)的原材料，制造過程完全一致，區(qū)別在封裝測試完成以后，將個別較好的參數(shù)進行標記。