Präzisions-Operationsverstärker OPV-Trimmverfahren im Vergleich

Unstrittig ist, dass hochpräzise Operationsverstärker die Notwendigkeit einer Systemkalibrierung während der Fertigung oder im Feld überflüssig machen können. Dennoch muss sich der Entwickler immer noch Gedanken über die Wahl der passenden Low-Offset-Architektur für seine Anwendung machen. Darunter fallen beispielsweise die unterschiedlichen Trimmverfahren. Worin unterscheiden sich diese? Welche Vorzüge und Nachteile haben sie?

Präzisions-Operationsverstärker enthalten typischerweise irgendeine Art von Eingangs-Offsetspannungskorrektur. Die Eingangs-Offsetspannung ist die Spannungsdifferenz zwischen den invertierenden und nicht-invertierenden Eingängen des Verstärkers, die im Bereich von Mikrovolt bis Millivolt liegen kann. Die Größe des Offsets hängt im Wesentlichen davon ab, wie gut die Eingangstransistoren des Verstärkers aufeinander angepasst sind. Neben der anfänglichen Eingangs-Offsetspannung können auch andere Bedingungen das Verhalten dieser Fehlspannung beeinflussen.

Zu diesen Faktoren gehören Veränderungen der Gleichtaktspannung, der Betriebsspannung, der Ausgangsspannung, der Temperatur und sogar die Alterung. Je nach Anwendung können diese externen Bedingungen bestimmen, welche Verstärkerarchitektur die beste für das betreffende Design ist.

EPROM- und Laser-Trimming

Manche Präzisions-Operationsverstärker nutzen nicht-flüchtige EPROM-Verbindungen, um die Eingangs-Offsetspannung zu korrigieren. Oft erfolgt dieser Arbeitsschritt während des Endtests im IC-Gehäuse. Dies ist ein äußerst kostengünstiger Weg, um einen Verstärker mit geringer anfänglicher Offsetspannung zu erhalten. Durch das Trimmen des Verstärkers nach der Bestückung lassen sich sämtliche Offsets korrigieren, die mit dem Packaging zusammenhängen. Ein weiterer Vorteil dieser Architektur besteht darin, dass der Hersteller das Bauteil trimmt und keinen weiteren Abgleich durch den Anwender mehr benötigt.

Nachteilig bei dieser Architektur ist allerdings, dass die EPROM-Verbindungen Platz auf dem Chip benötigen, sodass diese Bausteine eher nicht in extrem kleinen Gehäuseformen erhältlich sind. Wie jeder Universalverstärker reagiert diese Architektur zudem empfindlich auf Umgebungsbedingungen wie Temperatur sowie auch auf Veränderungen der Gleichtakt- oder Betriebsspannung. Eine weitere häufig benutzte Methode, um die Genauigkeit eines Operationsverstärkers zu verbessern, ist Laser-Trimmen.

Bei diesem Prozess wird mithilfe eines Lasers der Widerstandswert von Dünnfilm-Widerständen auf dem Silizium-Wafer eingestellt. Dieser Prozess ermöglicht eine relativ hohe Genauigkeit, da der Trimmprozess kontinuierlich und nicht in einer Serie diskreter Stufen erfolgt wie beim EPROM-Trimmen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass Dünnfilm-Widerstände konstruktionsbedingt sehr temperaturstabil sind, was die Gesamtgenauigkeit des Verstärkers über einen breiten Temperaturbereich verbessert. Allerdings muss Laser-Trimmen auf Wafer-Ebene implementiert werden, und lässt sich nicht an einem schon gehäusten Bauteil durchführen.

Das Aussägen eines Wafers zu einzelnen Dies, das Platzieren des Dies in einem Gehäuse und das Bonden des Dies zu den Anschlusspins im Gehäuse - alle diese Prozesse können mechanische Spannungen auf dem Wafer erzeugen und sich negativ auf die Gesamtgenauigkeit des Bauteils auswirken. Diese fertigungsbedingten Veränderungen lassen sich bei Laser-getrimmten Verstärkern nicht berücksichtigen und gehen daher als zusätzliche Fehler in den Verstärker ein.

Ähnlich wie bei nicht-flüchtigen EPROM-Verbindungen wird auch das Laser-Trimmen nur einmal während der Herstellung des Bauteils ausgeführt, und es gibt keine Möglichkeit, das Bauteil erneut abzugleichen. Änderungen der externen Betriebsbedingungen wie Temperatur und Betriebsspannung können die Genauigkeit des Verstärkers negativ beeinflussen und sich direkt auf die Leistung des Gesamtdesigns auswirken.

Auto-Zero-OPVs und Chip-interne Kalibrierung

Die Auto-Zero-Architektur nutzt eine kontinuierliche Selbstkorrektur, wobei ein Nullungsverstärker die Offset-Spannung des Hauptverstärkers korrigiert. Diese Architektur ermöglicht extrem niedrige Offset-Fehler, die um den Faktor 100 besser sein können als bei einem EPROM-getrimmten Verstärker. Weitere Vorzüge dieser Architektur sind eine geringe Offset-Drift, das Entfallen von 1/f-Störungen sowie überlegene Werte für PSRR (Power Supply Rejection Ratio) und Gleichtaktdämpfung. Da diese Architektur die Eingangs-Offsetspannung kontinuierlich und automatisch korrigiert, ist sie konstruktionsbedingt unempfindlich gegenüber Umgebungsbedingungen.

Temperatur- und alterungsbedingte Änderungen sowie Änderungen der Betriebs- oder Gleichtaktspannung haben nur äußerst geringe Auswirkungen auf die Genauigkeit eines solchen OPVs. Da die selbstkorrigierende Schaltung auf dem Chip integriert ist, werden keine Eingaben vom Anwender benötigt. Aus der Systemperspektive sieht ein Auto-Zero-Operationsverstärker wie der »MCP6V0« (Bild 1) aus wie ein normaler OPV, der als zusätzlichen Vorteil eine außerordentliche Leistung bietet. Neben allen diesen Vorteilen hat die selbstkorrigierende Auto-Zero-Architektur allerdings auch ihre Grenzen.

Durch das kontinuierliche Schalten der internen Korrekturschaltung entstehen Schaltstörungen, die zu einem höheren Ruhestrom als bei anderen Architekturen mit gleicher Bandbreite führen. Aufgrund der extrem hohen Präzision dieses Bauteiltyps fallen zudem längere Prüfzeiten an, was zu höheren Fertigungskosten führt. Eine weitere Alternative ist der Einsatz eines hochpräzisen Operationsverstärkers mit integrierter Kalibrierungsschaltung.

Mit der Kalibriertechnik »mCal« können Bausteine wie der »MCP652« von Microchip (Bild 2) die gleiche, äußerst niedrige Anfangs-Offsetspannung wie andere Architekturen erreichen. Anders als bei EPROM- oder Laser-getrimmten Verstärkern ist die Kalibrierung aber beim Hochfahren oder über ein externes Kalibrierung-Pin aktiv.

Dadurch kann der Benutzer den Verstärker so oft wie erforderlich neu kalibrieren. Durch eine häufige Neukalibrierung ist die Genauigkeit des Verstärkers nicht mehr abhängig von Umgebungsbedingungen.

Sorgt sich ein Kunde zum Beispiel besonders um das temperaturbedingte Driftverhalten, so kann er den Drift-Fehler durch eine Neukalibrierung des Bauteils minimieren. Diese wird beispielsweise immer dann ausgeführt, wenn sich die Temperatur um ±5 K geändert hat. Obwohl dies die Temperaturdrift des Verstärkers erheblich verringern kann, muss der Benutzer dazu aktiv die Kalibrierungsroutine aktivieren, indem er den Pegel am Kalibrations-Pin des Verstärkers umschaltet.

Tabelle 1 fasst die besprochenen Vor- und Nachteile zusammen, die bei der Auswahl der am besten für eine bestimmte Anwendung geeigneten OPV-Architektur eine Rolle spielen.

Architektur
Vorteile
Nachteile
EPROM-getrimmt (NVM)
Justage im bestückten Gehäuse während des Endtests (verkürzte Testzeit); bestückungsbedingte Verschiebungen der Offsetspannung lassen sich trimmen
berücksichtigt keine zeit- und temperaturbedingte Drift, höhere Genauigkeit erfordert mehr EPROM-Verbindungen und mehr Platz auf dem Chip
Laser-getrimmt
höhere Genauigkeit als beim EPROM-Trimmen
Dünnfilm-Widerstände bieten gute Temperaturstabilität
Auto-Zeroextrem geringe anfängliche Offsetspannung; alterungs- und temperaturbedingte Drift ist um Größenordnungen besser als bei anderen Architektureninterner Nullungverstärker erzeugt Schaltstörungen; höherer Ruhestrom bei gleicher Bandbreite
»mCal« (Chip-interne Kalibrierung)alterungs- und temperaturbedingte Drift lässt sich durch eine periodische Neu-Kalibrierung des Verstärkers eliminierenwiederholte Kalibrierungen können zu unterschiedlichem Trimm-Code führen, was Verschiebungen des Offsets zwischen verschiedenen Kalibrationsläufen verursachen kann
Tabelle 1: Vor- und Nachteile der verschiedenen Trimmverfahren bei Präzisions-Operationsverstärkern