DIGITRIM™技术

简介

如今,许多最受欢迎的电子应用,如个人计算机和移动电话,都趋向于采用更低的工作电压。因此允许的误差越来越小,而元件精度要求越来越高。尤其对这类应用中所用到的放大器而言,更是如此。同时,这类产品的产量也在持续增长,给供应商在降低元件成本方面带来了额外的压力。ADI公司已开发出一种取得专利的全新调整工艺,能以极低的成本提供所需的精度与性能。采用DigiTrim技术生产的精密CMOS放大器可比同类解决方案节约高达30%的成本,并能实现更高的精度。

决定系统精度的关键放大器参数是输入失调电压。设计人员一直采用各种技术来调节放大器失调电压及其他参数。调整技术的确成就了现有各类精密放大器。但对大部分器件而言,失调调整及其产生的精度提高优势尚无法进入大规模、低成本的CMOS放大器市场。为了理解这一点,有必要检查各种调整方法并比较其能力与要求。以下图表对此作了说明。

失调电压调整工艺总结

  Trimmed at: Special Processing Resolution
Laser Wafer Thin Film Continuous
Zener Zap Wafer None Discrete
Link Wafer TFR or Poly Discrete
EEPROM Wafer or FT EEPROM Discrete
Chopper N/A CMOS Continuous
DigiTrim™ Wafer or FT None Discrete

DigiTrim

通过逻辑电路和加权电流源实现调节电流的数字控制

DigiTrim通过对数字加权电流源进行编程来调节电路性能。借助这种新的专利调整方法,可以用一种特殊的数字关键字序列通过现有模拟引脚输入调整信息。在执行永久调节之前,可暂时对调节值进行编程、评估和重新调节,以实现最佳精度。完成调整后,调整电路将被锁死,以防最终用户意外执行重新调整。

物理调整通过熔断多晶硅熔丝实现,非常可靠。这种调整方法不需要额外的焊盘或引脚,也不需要使用特殊的测试设备。调整可在封装后进行,从而可消除装配相关偏移。不需要任何晶圆级测试便可实现合理的芯片成品率。不需要特殊的晶圆制造工艺,我们的代工合作伙伴就能进行电路生产。所有调整电路都随工艺特性调整比例,工艺和放大器电路缩小时,调整电路也按比例缩小。调整电路远远小于正常放大器电路,其成本仅占芯片成本的极小部分。这类调整与链接调整和齐纳击穿一样是独立的,但只需比未调整器件增加极少的成本便可轻松实现所需的精度。

首款使用此种新方案的器件是ADI公司的低成本、双通道、轨到轨CMOS放大器AD8602。该放大器针对高、低两种共模电压状态调整失调电压,确保失调电压在整个共模输入电压范围内都不超过500 µV。每个放大器的带宽为8MHz,压摆率为5V/µS,功耗只有640 µA,可以支持从条形码扫描仪到GSM电话的各种大规模、成本敏感型应用。

DigiTrim方法还可通过一种不同的放大器设计支持用户调整系统失调。

齐纳击穿

利用电压在调整晶体管的基极-发射极结产生金属短路(一般称为“齐纳”,不过基本原理实际上是结的雪崩式击穿),并移除一个电路元件

在基极-发射极结发生雪崩式击穿期间,极高的电流密度及相应的局部加热会在基极和发射极的金属连接之间产生快速的金属漂移,从而导致结的冶金短路。通过适当的偏置(电流、电压和时间),此短路会产生一个极低的电阻值。如果一系列这类基极-发射极结与电阻串并联,发生击穿的结将使电阻串的某些部分短路,从而调整总电阻值。

这种技术具有合理的分辨率,非常可靠,并且除高电流源之外,不需要额外的测试设备来支持调整期间的较大雪崩式电流。此外,还能在封装内实现齐纳击穿调整,进而补偿与装配相关的失调电压偏移。不过,封装内调整需要封装引脚。晶圆级调整则需要额外的探针焊盘。探针焊盘无法随工艺特性缩小而按比例有效缩放。所以,调整所需的芯片面积相对恒定,与工艺尺寸无关。调整结构需要某种形式的双极性晶体管,因此完全基于MOS的工艺可能没有齐纳击穿能力。调整本身是独立的,因为每次击穿都去除一个预定义电阻值。提高调整分辨率需要额外的晶体管和焊盘/引脚,这会迅速增加总芯片面积和/或封装成本。对于调整结构和探针焊盘只占总芯片面积较小部分的大尺寸工艺而言,这种技术最具性价比。

ADI公司率先采用齐纳击穿调整技术,创造了业界标准产品OP07精密放大器,事实上发明了精密放大器这类产品。OP07和同类器件必须能够采用超过±15V的电源供电,因此,可以用相对较大的器件尺寸来支持高电压要求。

激光调整

使用激光“切割”电阻来增加电阻值

紧聚焦激光束产生的局部绝热加热,可造成激光束接触芯片处的薄膜阻性材料特性改变,使材料变得不具导电性。激光沿着电阻照射时,可有效改变电阻的宽度。因为电阻值与电阻宽度成正比,所以会永久改变电阻值。通过控制激光束的路径和速度,可以非常精确地调节电阻值。最高16位精度的ADC和DAC一般使用激光调整,来实现这种精度水平所需的极高匹配度。

薄膜电阻本身具有极高的温度稳定性,甚至不需要调整就能增加器件的热稳定性和精度。只要严格控制晶圆制造和调整工艺,激光调整是比较可靠的。该工艺需要集成薄膜沉积和图形化。工艺的其他部分必须适应激光特性,才能实现精确的调整。要进行调整操作,必须购买昂贵的激光系统。调整结构尺寸取决于激光束的大小和激光调整设备的精度,并不随工艺特征按比例缩放。因为不能进行封装内调整,该工艺无法补偿装配相关偏移并且需要晶圆级测试。如果需要极精确的微调,激光调整最为有效。

ADI公司也率先采用薄膜电阻和激光调整技术,并广泛应用于精密放大器、基准电压源和转换器。

链接调整

通过切削金属或多晶硅链接去除连接

链接调整技术使用激光或高电流来破坏并联阻性元件上的“短路”连接。去除链接可增加组合元件的有效电阻。激光切割工作类似于薄膜的激光调整,激光束产生的局部高热量导致材料改变,形成非导电性区域,从而有效地切割了金属或导电多晶硅连接器。高电流链接调整法与齐纳击穿的工作原理类似,只不过是通过高电流密度产生的热量破坏导电连接,而不是形成导电连接。

链接调整结构往往比激光调整结构更紧凑些。该方法一般不需要特殊的工艺,不过如果使用激光切割,可能需要能够适应激光特性的工艺。使用高电流调整方法,如果芯片成品率较好,可以不需要晶圆级测试。可激光调整方案不需要额外的接触焊盘,但调整结构不随工艺特性尺寸按比例缩放。这种类型的调整也不能在封装内执行。电流调整版方案需要额外的探针焊盘,并要求额外的封装引脚进行封装内调整。同齐纳击穿一样,这类调整也是独立的。提高调整分辨率需要额外的链接结构,并迅速增加芯片面积。

EEPROM

将值存储于控制DAC调节电流或电压的存储器中

EEPROM调整利用特殊的非易失性数字存储器来存储调整数据。所存储的数据位通过片内DAC控制调节电流。

存储单元和DAC随工艺特性尺寸按比例缩放。可进行封装内调整,甚至是客户系统内调整,从而去除装配相关偏移。在成品率合理的情况下,不需要晶圆级测试。不需要特殊的硬件进行正常混合信号测试器系统以外的调整,不过测试软件开发可能更为复杂。

这类调整可以覆盖,因此可定期给系统重新编程来处理长期漂移,或者修改系统特性以满足新的要求。可进行有限次的重新编程,具体取决于工艺。大部分EEPROM工艺都提供足够的重写周期,可以轻松处理例行重新校准。

这种调整方法不需要特殊的处理。在某些条件,尤其是较高的工作温度下,存储的调整数据可能会丢失。至少需要一个额外的数据接触焊盘或封装引脚,将调整数据输入至片上存储器。

由于需要极薄的氧化层,因此仅适合基于MOS的工艺。最大缺陷是片上DAC较大,通常大于所调节的放大器电路。因此,EEPROM大多用于调整DAC只占总芯片面积极小一部分的数据转换器或系统级产品。

斩波型(自稳零型)放大器

利用开关、电容和额外的放大器进行动态调节

斩波稳定型放大器或自稳零型放大器本身并非一种调整方法,但同样解决提高精度的需求。现代自稳零型放大器使用逻辑电路、开关、储能电容和一个额外的指零放大器级,将失调电压持续调节至极低值。

因为不断调节失调电压,所以其随温度和时间的漂移极小。同时,持续调节还可消除传统放大器设计在极低频率下发生的指数“1/f”噪声。在器件成品率合理的情况下,不需要晶圆级测试,而且不需要特殊的测试设备(但测量极低漂移具有一定难度)。这类放大器凭借极低的失调电压和漂移提供最佳直流精度,并提供极高的增益、电源抑制比和共模抑制比。不过,确实会遇到斩波时钟所带来的数字开关噪声问题。对于给定器件带宽,这类放大器还比传统放大器设计消耗更多的电源电流。片内储能电容较大,并随电容氧化物厚度而非工艺特性尺寸,按比例缩放。

ADI公司的AD855x和AD857x放大器是目前市场上成本最低的自稳零型放大器。虽然AD855x和AD857x放大器的成本远低于其他自稳零型放大器,但对许多不需要极佳精度的大规模应用而言,其价格还是过于昂贵。

DigiTrim™ 框图

图A(下图)所示为 ½ AD8602放大器的二分之一简化示意图。

AD8602 Simplified Drawing

图A AD8602的二分之一简化图

DigiTrim是Analog Devices, Inc.的商标。

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