放大器Vos失調(diào)電壓的產(chǎn)生與影響

放大器的失調(diào)電壓是工程師在直流耦合電路設(shè)計(jì)中，評(píng)估頻次極高的參數(shù)，本篇通過(guò)一個(gè)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(dǎo)致故障的一則案例

2019年8月11日(星期日)晚，筆者接到負(fù)責(zé)電源領(lǐng)域同事的信息，一家上市公司在汽車電子領(lǐng)域首款產(chǎn)品的小批量生產(chǎn)測(cè)試中出現(xiàn)異常，其中使用ADI放大器設(shè)計(jì)的電路發(fā)生“失效”問(wèn)題，急需申請(qǐng)失效分析。8月12日上午現(xiàn)場(chǎng)拜訪該企業(yè)，工程師講述電路設(shè)計(jì)不存在問(wèn)題，并且通過(guò)ADI官方指定渠道購(gòu)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(jìn)行互換，“失效”現(xiàn)象跟隨“異常芯片”繼續(xù)復(fù)現(xiàn)，因此要求進(jìn)行失效分析。

面對(duì)上述問(wèn)題的現(xiàn)象描述，筆者無(wú)法定位問(wèn)題的根源。與項(xiàng)目組負(fù)責(zé)人詳細(xì)了解電路圖和測(cè)試過(guò)程。如圖2.7，使用ADA4851-1組建差動(dòng)放大電路，電路由+5V單電源供電，TP1000網(wǎng)絡(luò)由參考電壓源提供。工作中在輸入端TP1001網(wǎng)絡(luò)與TP1006網(wǎng)絡(luò)連接到地時(shí)，如果ADA4851-1的輸出端（TP1011網(wǎng)絡(luò)）電壓超出±38.7mV時(shí)，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(guò)±38.7mV。

圖2.7ADA4851-1應(yīng)用電路

參考ADA4851-1的電氣參數(shù)進(jìn)行分析，如圖2.8。在25℃環(huán)境中，+5V供電，電路增益為1時(shí)，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(dòng)放大電路的增益為54.4倍。輸入失調(diào)電壓經(jīng)過(guò)放大后的輸出應(yīng)為32.7mV(典型值)時(shí)電路正常工作，但是失調(diào)電壓最大值對(duì)應(yīng)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(shí)，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(shí)對(duì)應(yīng)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(rèn)，現(xiàn)有ADA4851-1應(yīng)用電路的輸出電壓折算到輸入端，均在數(shù)據(jù)手冊(cè)參數(shù)范圍內(nèi)，工作不存在失效問(wèn)題，該電路的軟件判定閾值設(shè)計(jì)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(shí)，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(guò)該案例可見(jiàn)，失調(diào)電壓的存在，導(dǎo)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(gè)輸入端（Vp、Vn），如果是理想放大器其輸出電壓Vo應(yīng)為0V。但是，真實(shí)放大器內(nèi)部處理Vp與Vn的輸入級(jí)存在失配，導(dǎo)致放大器的輸出不為0V。為了使真實(shí)放大器的輸出實(shí)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(shí)放大器的電壓傳遞曲線（VTC）不會(huì)過(guò)原點(diǎn)，它向左移還是右移由失配的方向決定。可以理解為在理想或無(wú)失調(diào)電壓放大器的一個(gè)輸入端串聯(lián)一個(gè)小電壓源Vos，其電壓傳遞曲線如式2-1。

為了實(shí)現(xiàn)輸出電壓為0V，需要滿足式2-2。

所以放大器的兩個(gè)輸入端電壓關(guān)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(duì)于某個(gè)放大器的失調(diào)電壓是確定值，但是放大器會(huì)因?yàn)闇囟取⒐ぷ鲿r(shí)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(dǎo)致該變化的溫度變化量的比值。數(shù)據(jù)手冊(cè)提供的參數(shù)為測(cè)量溫度范圍內(nèi)的平均值，符號(hào)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(jí)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(dāng)芯片溫度上升到75℃時(shí)，將參數(shù)代入式2-3計(jì)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(shí)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(zhǎng)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(cè)提供實(shí)測(cè)10000小時(shí)失調(diào)電壓漂移。工程師以此模擬系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行，可以評(píng)估在設(shè)備長(zhǎng)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(shè)計(jì)中難以處理的參數(shù)，因?yàn)樗拇嬖陔S時(shí)會(huì)產(chǎn)生新的失調(diào)電壓，所以常見(jiàn)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(shí)測(cè)10000小時(shí)的失調(diào)電壓長(zhǎng)期漂移

03

失調(diào)電壓產(chǎn)生原因

(1)輸入級(jí)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(jí)對(duì)稱三極管晶圓的不匹配所導(dǎo)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(shuō)匹配度提高到原來(lái)的兩倍，晶圓面積就是原來(lái)的四倍。當(dāng)達(dá)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(huì)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(jìn)行測(cè)試與校準(zhǔn)，或者在輸出級(jí)使用斬波等技術(shù)改善放大器的失調(diào)電壓。

圖2.13放大器輸入級(jí)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(hào)。

表2.1 多類放大器的失調(diào)電壓范圍和代表型號(hào)

(2)芯片封裝技術(shù)

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(huì)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(méi)有因?yàn)榉庋b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(shù)會(huì)影響放大器的失調(diào)電壓。如圖2.2，ADA4077-2 A級(jí)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(jí)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(duì)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(shū)中常見(jiàn)A級(jí)、B級(jí)產(chǎn)品，在生產(chǎn)的原材料，制造過(guò)程完全一致，區(qū)別在封裝測(cè)試完成以后，將個(gè)別較好的參數(shù)進(jìn)行標(biāo)記。

綜上，由于半導(dǎo)體工藝所導(dǎo)致失調(diào)電壓是構(gòu)成電路直流誤差的重要影響因素之一。 在穩(wěn)定的環(huán)境中，由失調(diào)電壓導(dǎo)致的直流誤差可以進(jìn)行校準(zhǔn)，但是失調(diào)電壓漂移所產(chǎn)生影響無(wú)法過(guò)校準(zhǔn)完全消除 。