高精度、低噪声的抗辐照运算放大器修调电路及修调方法

摘要

一种高精度、低噪声的抗辐照运算放大器修调电路及修调方法，由启动与偏置电路以及结构相同的两个放大器组成；两个放大器均包括输入级电路、中间级电路和输出级电路；输入级电路采用差分对管结构提高输入阻抗、降低失调电压与温度漂移、建立良好的匹配直流工作点，完成输入电压的缓冲和首级放大；中间级电路采用折叠式共基级共发射级结构提高电压增益及输出摆幅；输出级电路采用参数相同的三极管以推挽的形式输出来扩展内部电流、提高后级驱动能力、增大输出摆幅；输入级电路设置有修调网络，修调网络中包括多个修调压焊点，根据实测值的不同来修调不同的压焊点，本发明采用多晶硅修调代替金属薄膜电阻激光修调，节省了高精度电路的修调成本。

说明书

技术领域

本发明属于集成电路领域，涉及高性能运算放大器的加工制造电路及方法，具体涉及一种高精度、低噪声的抗辐照运算放大器修调电路及修调方法。

背景技术

运算放大器在如今的电路系统中随处可见，设计者总希望能设计出在各个方面都具有相当出色性能的运算放大器，比如具有高增益、大输出摆幅、大电流驱动能力、功耗小等“全能”运算放大器，但其实这样理想中的运算放大器很难实现。运算放大器的各个指标存在相互依存及相互矛盾的关系，如使运算放大器具有较小的噪声电压，可能就会牺牲噪声电流或功耗，因此根据各个不同应用要求，如今设计的运算放大器都具有特殊的专用性能。

图1为国外一款高精度、低噪声运算放大器，其启动和偏置电流产生电路如图所示，当电路上电后，通过各支路形成电流通路，使各器件传输一定电流开始正常工作。

电路启动后，通过齐纳二极管Q47、三极管Q48和Q52、电阻R251和R252产生既与电源电压无关又具有较小正温度系数的偏置电流，该电流通过Q43、Q46和Q53被镜像结构提供给两路放大电路使用。输入级采用差分对管结构提高输入阻抗、降低失调电压和温度漂移、建立良好的匹配直流工作点，完成输入电压的缓冲和首级放大。此外，采用输入偏置电流补偿结构，构造了一股与输入基极电流大小相等、方向相反的补偿电流将其抵消，减小输入偏置电流提高输入阻抗，减小噪声对电路的影响，降低运算放大器从信号源吸收的功率。

中间放大级采用折叠式、共基级、共发射级结构以提高放大器的增益和输出摆幅，满足电路整体增益的要求，该级设置了内部补偿电阻电容以确保电路工作的频率稳定性。

输出级采用参数相同的三极管以推挽的形式输出，以扩展内部电流，提高后级驱动能力，增大输出摆幅，此外输出级在短路或过流情况下，具有限流保护功能。

但是为实现电路低噪声、高精度的特点，国外电路采用的是金属薄膜电阻激光修调工艺，由于国内抗辐照双极工艺平台无法实现金属薄膜电阻激光修调工艺，因此，需要发明一种能够实现和标准工艺兼容，且具有低噪声、高精度的运算放大器。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种高精度、低噪声的抗辐照运算放大器修调电路及修调方法，能够兼容现有的抗辐照标准双极工艺，并且大大节约测试成本。

为了实现上述目的，本发明高精度、低噪声的抗辐照运算放大器修调电路由启动与偏置电路以及结构相同的两个放大器组成；所述的两个放大器均包括输入级电路、中间级电路和输出级电路；所述的输入级电路能够完成输入电压的缓冲和首级放大，具有用于提高输入阻抗、降低失调电压与温度漂移、建立匹配直流工作点的差分对管结构；中间级电路具有用于提高电压增益及输出摆幅的折叠式共基级共发射级结构；输出级电路具有能够扩展内部电流、提高后级驱动能力、增大输出摆幅的三极管，三极管的参数相同并以推挽的形式输出；所述的输入级电路具有修调网络，所述的启动与偏置电路以及两个放大器均采用多晶硅电阻搭建。

所述修调网络的修调范围为-200μV～150μV，当电路实际测试值在-225μV～175μV，通过修调网络能够将电路的失调电压修调至-25μV～25μV之间。

所述的修调网络包括分为两路的等效修调电阻，通过调整等效修调电阻的阻值，使流过两路电阻的电流I_C1、I_C2相等，在调整等效修调电阻时减去I_C1、I_C2存在的偏差。

所述的修调网络分为两路，其中一路包括第一修调模块，另一路包括第二修调模块和第三修调模块；所述的第一修调模块、第二修调模块和第三修调模块均由多个电阻组合而成，通过调整电阻使两路电流I_c1＝I_c2；

所述的第一修调模块包括与电源直接相连的电阻R1、电阻R2以及通过二极管D1与电源相连的电阻R15，所述的电阻R1、R2、R15连接相互并联的电阻R3、R4、R5、R6，相互并联的电阻R3、R4、R5、R6经电阻R13连接第一输入放大管；所述的第二修调模块包括与电源直接相连的电阻R7、电阻R8以及通过二极管D2与电源相连的电阻R16；所述的第三修调模块包括与电阻R7、R8、R16连接且相互并联的电阻R9、R10、R11、R12、R17，电阻R17经过二极管D3与电阻R7、R8、R16连接，相互并联的电阻R9、R10、R11、R12、R17经电阻R14连接第二输入放大管，第一输入放大管与第二输入放大管均接地；

修调网络中包括a、b、c、d、e五个修调压焊点，压焊点e是正电源，压焊点e连接电阻R1、R2、R7、R8以及二极管D1、D2；压焊点a、e是修调能够达到-100μV的压焊点，压焊点a设置在二极管D2与电阻R16之间；压焊点b、c是修调能够达到-50μV的压焊点，压焊点b设置在第二修调模块与第三修调模块之间，压焊点c设置在二极管D3与电阻R17之间；压焊点e、d是修调能够达到200μV的压焊点，压焊点d设置在二极管D1与电阻R15之间；根据电路初始的实测值大小，对应修调至指标要求范围。

所述启动与偏置电路中增加两个BE结抬高电位使二极管击穿电压在6.8V下正常工作。

所述的中间级电路中设置能使电路工作频率稳定的内部补偿结构。

本发明高精度、低噪声的抗辐照运算放大器修调电路的修调方法采用的技术方案为：

获取电路初始的实测值并根据电路初始的实测值大小对应进行修调：

1)当实测值在-225uV～-175uV之间，修调e、d两端；

2)当实测值在-175uV～-125uV之间，先修调e、d两端，后修调b、c两端；

3)当实测值在-125uV～-75uV之间，先修调e、d两端，后修调a、e两端；

4)当实测值在-75uV～-25uV之间，先修调e、d两端，后修调a、e两端与b、c两端；

5)当实测值在-25uV～25uV之间，不进行修调；

6)当实测值在25uV～75uV之间，修调b、c两端；

7)当实测值在75uV～125uV之间，修调a、e两端；

8)当实测值在125uV～175uV之间，先修调a、e两端，后修调b、c两端。

具体的修调操作为：

1)当实测值在-225uV～-175uV之间，修调e、d两端，使测试值在-25uV～25uV之间；

2)当实测值在-175uV～-125uV之间，先修调e、d两端，使测试值在-25uV～75uV之间，后修调b、c两端，使测试值在-25uV～25uV之间；

3)当实测值在-125uV～-75uV之间，先修调e、d两端，使测试值在75uV～125uV之间，后修调a、e两端，使测试值在-25uV～25uV之间；

4)当实测值在-75uV～-25uV之间，先修调e、d两端，使测试值在125uV～175uV之间，后修调a、e两端与b、c两端，使测试值在-25uV～25uV之间；

5)当实测值在-25uV～25uV之间，不需要修调；

6)当实测值在25uV～75uV之间，修调b、c两端，使测试值在-25uV～25uV之间；

7)当实测值在75uV～125uV之间，修调a、e两端，使测试值在-25uV～25uV之间；

8)当实测值在125uV～175uV之间，先修调a、e两端，使测试值在-75uV～25uV之间，后修调b、c两端，使测试值在-25uV～25uV之间。

所述第一修调模块的等效电阻为18方，第二修调模块和第三修调模块的等效电阻为18方，不进行修调时电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12为2方，电阻R13、R14为16.5方；当修调e、d两端时，二极管D1短路，加入5.86方的电阻R15使第一修调模块的总电阻小于18方；当修调e、a两端时，二极管D2短路，加入12.72方的电阻R16使第二修调模块和第三修调模块的总电阻小于18方；当修调b、c两端时，二极管D3短路，加入6.36方的电阻R17使第二修调模块和第三修调模块的总电阻小于18方。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：启动与偏置电路以及两个放大器均通过多晶硅电阻进行搭建，在输入级电路设置修调网络，采用多晶硅修调代替金属薄膜电阻激光修调能够实现电路高精度的特点，并且大大节约了测试成本。国外该电路采用的是金属薄膜电阻激光修调工艺，由于国内抗辐照双极工艺平台无法实现金属薄膜电阻激光修调工艺，本发明采用多晶硅电阻替代薄膜电阻，能够兼容现有的抗辐照标准双极工艺，且电路具有抗辐照和低剂量率特性，填补了国内在高性能运算放大器加工制造工艺中的空白。

与现有技术相比，本发明运算放大器修调方法具有如下的有益效果：首先根据电路初始的实测值确定电路是否需要进行修调，如果实测值满足技术要求(处于-25uV～25uV之间)或者超出可修调的范围(-225μV～175μV)，则无需再进行修调，如果实测值在可修调的范围(-225μV～175μV)，则采用齐纳二极管击穿修调技术，正常情况下二极管不导通，在二极管两端施加高压脉冲将二极管击穿，形成含合金结短路电阻通路，这样即能够实现总阻值的调整从而改变输入失调电压。本发明采用多晶硅电阻替代薄膜电阻能够兼容现有的抗辐照标准双极工艺，使得电路具有抗辐照低剂量率特性，此外，采用多晶硅修调代替金属薄膜电阻激光修调能够实现电路高精度的特点，并且大大节约测试成本。

附图说明

图1国外某型号运算放大器电路结构图；

图2本发明运算放大器的电路结构图；

图3本发明输入级电路修调部分结构图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见图2-3，本发明基于抗辐照双极工艺的高精度、低噪声运算放大器，主要由启动与偏置电路、左右两侧放大器组成。本发明主要在放大器结构中，通过设定合适的输入级修调网络，用二极管及多晶硅电阻修调替代金属薄膜电阻激光修调，实现输入失调电压的精度范围。

电路上电启动后，通过二极管Q47与两个BE结之差在电阻R251、R252产生既与电源电压无关，又具有较小正温度系数的PTAT电流，该电流被Q63、Q57的集电极电流补偿后形成温漂特性更佳的基准电流，提供给左右两侧放大器使用。由于国外电路的工艺可以将齐纳二极管Q47击穿电压做到6V,由于国内工艺条件受限，所以在图2中增加了两个BE结以抬高电位保证二极管击穿电压在6.8V下电路正常工作。本发明两路放大器结构相同，均由差分输入级、中间放大级和互补推挽式AB类输出级构成。信号进入输入级后被第一次放大，建立稳定工作点后进入中间放大级。中间级采用折叠式共基极共发射极结构提高运算放大器的电压增益和输出摆幅。最后以推挽形式输出增大摆幅，提高后级驱动能力。

输入级采用差分对管结构D1、D2以提高输入阻抗、降低失调电压和温度漂移、建立良好的匹配直流工作点，完成输入电压的缓冲和首级放大。其中Q1～Q4的结构当输入较大的阶跃信号时，保证二极管被击穿，能够较快的减小查分输入端的电压差，使其降低至两个BE结，此后通过电路自身的压摆率进行调节，此外，电路采用输入偏置电流补偿结构。

通过Q11和R3精确镜像第一级恒流源结构(Q12和R6)中的尾电流，再经D3、Q9、Q5～Q8的转换后，形成了与输入对管D1、D2基极电流大小相等、方向相反的互补电流，二者相互抵消后，从输入端测量到的偏置电流理论上应为零。

该结构构造了一股与输入基极电流大小相等方向相反的补偿电流将其抵消，减小输入偏置电流提高输入阻抗，减小噪声对电路的影响，降低运算放大器从信号源吸收的功率。

中间放大级采用折叠式共基级共发射级结构以提高放大器的增益和输出电压摆幅，满足电路整体增益的要求，本级设置了内部补偿电阻电容以确保电路工作的频率稳定性。

输出级采用参数相同的三极管以推挽的形式输出，以扩展内部电流，提高后级驱动能力，增大输出摆幅，此外输出级在短路或过流情况下，具有限流保护功能。

输入级电路增加的修调部分在工作过程中：

首先确定最大修调范围，根据3σ原则，输入失调电压值呈正态分布曲线。

确定修调范围为-225uV～175uV，目标值区间为-25uV～25uV，要使I_C1＝I_C2，需要调整R1、R2阻值，首先计算I_C1、I_C2的偏差：

I_C1/I_C2＝e^1.0082(其中V_be1-V_be2＝213μV)(3)

在版图设计中，R11＝R12＝18方，但由于I_C1与I_C2存在的偏差，计算出R11＝17.8542方。

修调网络设计中，在避免增大版图面积的前提下，采用多晶硅电阻以合理的串并联方式实现上述方案，通用的测试设备即能够完成电路的修调测试。

输入级部分采用二极管修调技术，a、b、c、d、e为修调压焊点，具体实施如下：

1、实测值在-225uV～-175uV之间，修调e、d两端，使测试值在-25uV～25uV之间；

2、实测值在-175uV～-125uV之间，先修调e、d两端，使测试值在-25uV～75uV之间，后修调b、c两端，使测试值在-25uV～25uV之间；

3、实测值在-125uV～-75uV之间，先修调e、d两端，使测试值在75uV～125uV之间，后修调a、e两端，使测试值在-25uV～25uV之间；

4、实测值在-75uV～-25uV之间，先修调e、d两端，使测试值在125uV～175uV之间，后修调a、e两端与b、c两端，使测试值在-25uV～25uV之间；

5、实测值在-25uV～25uV之间，不需要修调；

6、实测值在25uV～75uV之间，修调b、c两端，使测试值在-25uV～25uV之间；

7、实测值在75uV～125uV之间，修调a、e两端，使测试值在-25uV～25uV之间；

8、实测值在125uV～175uV之间，先修调a、e两端，使测试值在-75uV～25uV之间，后修调b、c两端，使测试值在-25uV～25uV之间。

通过以上修调网络，最终电路失调电压值能够达到-25uV～25uV之间，常规通用运算放大器测试系统即可实现修调测试，大大节约了测试成本。采用多晶硅电阻修调工艺与现有的抗辐照标准双极工艺完全兼容，电路实际抗辐照能力达到100krad(Si)。

综上所述，本发明中高精度、低噪声运算放大器的电路具有低失调、低偏置等特点，本发明可将国外电路直接移植至国内工艺线，也可移值在其它线路结构中，线路结构完全适合国内抗辐照工艺线，具有良好的经济及军事前景。