CN116388715A - 一种仪表放大器超低增益误差修调电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于集成电路设计领域，具体涉及一种仪表放大器超低增益误差修调电路及方法。电阻R3的一端连接仪表放大器的RG1端，另一端连接节点A；电阻R4的一端连接节点A，另一端连接节点B；电阻R5的一端连接节点B，另一端连接仪表放大器的RG2端；电阻R6的一端连接节点A，另一端连接仪表放大器的RG2端。在不影响电路功能的前提下，本发明一方面可通过最小精度2Ω/步的粗修调调整电阻R3、电阻R4和电阻R5的阻值；另一方面通过并联精修调网络实现对电阻R3、电阻R4和电阻R5的阻值0.01Ω/步的高精度调整，两者配合可将仪表放大器增益误差控制在0.1％以下。

Description

一种仪表放大器超低增益误差修调电路及方法

技术领域

本发明属于集成电路设计领域，具体涉及一种仪表放大器超低增益误差修调电路及方法。

背景技术

仪表放大器是一种高精密差分电压放大器，其关键元件集成在放大器内部，使得其具有低增益误差、低线性误差和增益设置灵活等特点，常用于放大淹没在很强的干扰和噪声环境中的微弱信号，它是处理模拟信号的基础模拟电子器件，其性能和水平决定了***的理论初始精度。

对于高性能的仪表放大器主要依靠进口，其极低的增益误差特性对制造工艺和后期测试平台的要求非常高，一般需基于具有较高初始精度的金属薄膜电阻工艺生产线，中测时要求有很高精度的激光修调设备支撑。目前国内金属薄膜电阻双极工艺生产线厂家屈指可数，后期还需配合激光修调才能实现仪表放大器的突出功能。因此，需要在设计上发明一种方法，可以降低仪表放大器对流片平台金属薄膜电阻初始精度的要求，后期配合激光修调设备共同实现极低的增益误差指标。通过设计降低对工艺的要求，使得国内在仪表放大器系列产品的研制方面获得较大的突破。

现有技术中的熔丝修调电路需要大量的控制电路配合使用，对于双极型模拟电路并不可取，因为会消耗大量的版图面积，造成成本的急剧增加。

发明内容

本发明提出一种仪表放大器超低增益误差修调电路及方法，以解决现有技术中缺少能实现高精度的修调步长和较宽的修调范围得误差修调手段的问题。

为达上述目的，本发明提出技术方案如下：

一种仪表放大器超低增益误差修调电路，包括电阻R3、电阻R4、电阻R5和电阻R6；具体结构为：

电阻R3的一端连接仪表放大器的RG1端，另一端连接节点A；

电阻R4的一端连接节点A，另一端连接节点B；

电阻R5的一端连接节点B，另一端连接仪表放大器的RG2端；

电阻R6的一端连接节点A，另一端连接仪表放大器的RG2端。

优选的，所述电阻R3由电阻R31、电阻R32、电阻R33、电阻R34、电阻R35并联组成；所述电阻R33、电阻R34和电阻R35之间的阻值比为4:2:1；电阻R32为可调电阻。

优选的，所述电阻R4由电阻R41、电阻R42、电阻R43、电阻R44、电阻R45并联组成；所述电阻R43、电阻R44和电阻R45之间的阻值比为4:2:1；电阻R42为可调电阻。

优选的，所述电阻R5由电阻R51、电阻R52、电阻R53、电阻R54、电阻R55并联组成；所述电阻R53、电阻R54和电阻R55之间的阻值比为4:2:1；电阻R52为可调电阻。

优选的，所述步骤2中，还包括电阻R36、电阻R46和电阻R56，分别与电阻R31、R41和R51并联。

优选的，电阻R33、电阻R34、电阻R35、电阻R36的阻值比为8:4:2:1。

优选的，电阻R43、电阻R44、电阻R45、电阻R46的阻值比为8:4:2:1。

优选的，电阻R53、电阻R54、电阻R55、电阻R56的阻值比为8:4:2:1。

一种仪表放大器超低增益误差修调方法，包括如下步骤：

步骤1，将权利要求1至4所述的一种仪表放大器超低增益误差修调电路并入仪表放大器；

步骤2，通过电阻R31//R32与电阻R33、电阻R34、电阻R35中的任意电阻进行并联，控制电阻R3的阻值按照2Ω每步的步进变化调整，选择所有组合中电阻R3阻值最接近目标值的组合；

通过电阻R41//R42与电阻R43、电阻R44、电阻R45中的任意电阻进行并联，控制电阻R4的阻值按照2Ω每步的步进变化调整，选择所有组合中电阻R4阻值最接近目标值的组合；

通过电阻R51//R52与电阻R53、电阻R54、电阻R55中的任意电阻进行并联，控制电阻R5的阻值按照2Ω每步的步进变化调整，选择所有组合中电阻R5阻值最接近目标值的组合；

步骤3，以0.02Ω为单位调整电阻R32的阻值，控制电阻R3的阻值按照0.01Ω每步的步进变化调整，直至电阻R3阻值达到目标值标准；

以0.02Ω为单位调整电阻R42的阻值，控制电阻R4的阻值按照0.01Ω每步的步进变化调整，直至电阻R4阻值达到目标值标准；

以0.02Ω为单位调整电阻R52的阻值，控制电阻R5的阻值按照0.01Ω每步的步进变化调整，直至电阻R5阻值达到目标值标准；

完成仪表放大器的修调。

优选的，所述步骤2中，还包括通过组合电阻R33、电阻R34、电阻R35、电阻R36与电阻R31的并联关系，选择所有组合中电阻R3阻值最接近目标值的组合；

通过组合电阻R43、电阻R44、电阻R45、电阻R46与电阻R41的并联关系，选择所有组合中电阻R4阻值最接近目标值的组合；

通过组合电阻R53、电阻R54、电阻R55、电阻R56与电阻R51的并联关系，选择所有组合中电阻R5阻值最接近目标值的组合。

本发明的有益之处在于：

本发明在不影响电路功能的前提下，一方面可通过最小精度2Ω/步的粗修调容忍金属薄膜电阻初始值偏移误差大至10％；另一方面通过并联精修调网络实现0.01Ω/步的超高精度，两者相互配合可将仪表放大器增益误差控制在0.1％以下。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为一种仪表放大器超低增益误差修调电路接入仪表放大器的示意图；

图2为一种仪表放大器超低增益误差修调电路结构简图；

图3为一种仪表放大器超低增益误差修调电路结构示意图；

图4为增益误差修调模块的粗修条电阻R3电路图；

图5为增益误差修调模块的精修条电阻R3电路图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本发明所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。

实施例1：

请参阅图1所示，本发明提供一种仪表放大器增益误差修调电路，包括电阻R3、电阻R4、电阻R5和电阻R6，具体结构为：

R3的一端连接仪表放大器的RG1端，电阻R3的另一端连接节点A；电阻R4的一端来凝结节点A，另一端连接节点B，电阻R5的一端连接节点B，另一端连接仪表放大器的RG2端,电阻R6的一端连接节点A，另一端连接仪表放大器的RG2端。

所述电阻R3由电阻R31、电阻R32、电阻R33、电阻R34、电阻R35并联组成；

所述电阻R4由电阻R41、电阻R42、电阻R43、电阻R44、电阻R45并联组成；

所述电阻R5由电阻R51、电阻R52、电阻R53、电阻R54、电阻R55并联组成。

实施例2：

请参阅图2所示，本发明提供一种仪表放大器增益误差修调方法，具体为，在仪表放大器的RG1端和RG2端设置实施例1所述的仪表放大器增益误差修调电路，电路结构如实施例1所示。

其中，电阻R31//R32为基准电阻，电阻R32用于基准电阻的精修调，电阻R33、电阻R34和电阻R35用于基准电阻的粗修调。

电阻R41//R42为基准电阻，电阻R42用于基准电阻的精修调，电阻R43、电阻R44和电阻R45用于基准电阻的粗修调。

电阻R51//R52为基准电阻，电阻R52用于基准电阻的精修调，电阻R53、电阻R54和电阻R55用于基准电阻的粗修调。

设置基准电阻的初始值和变化量，通过粗修电阻的选择，其中三个粗调电阻的阻值比为4:2:1，根据情况也可增加并联一个粗修电阻，使四个粗调电阻的阻值比为8:4:2:1；确保目标电阻(包括R3、R4、R5)的阻值根据粗调电阻的组合在一定区间内按照2Ω的标准进行增减。

精修电阻的阻值远大于基准电阻，目前国内工艺条件下金属薄膜电阻的绝对精度仅可达到0.02％，但通过两个电阻的并联，当精修电阻发生0.02％的变化时，并联值的变化精度可达到0.01Ω。

具体的，现以其中一个电阻R3为例说明设计方法。

由于目前国内仅有的金属薄膜电阻生产线平台下，金属薄膜电阻的初始精度较低，误差仅能控制在±10％内，为了用更少的版图面积实现合理的修调步长和较宽的修调范围，采用粗修调和精修调相互配合的方法实现。

粗修调设计：

通过3个电阻等步进增长的修调方案，通过8-4-2-1修调策略实现均匀增长且覆盖范围较广的修调方法。

假设电阻R3最终期望精确值为80.16Ω，然而目前金属薄膜电阻在制作过程中会有±10％的绝对误差，因此该电阻有可能漂移的范围时(72.14Ω,88.18Ω)，由于激光修调方法均是将电阻向增大的方向修调，那么电阻的初始值应该设定在72.14Ω，倘若制作中发生了±10％的绝对误差，那么初始值会漂移值(64.93Ω,80.16Ω)，此时修调的范围需要覆盖从64.93Ω→80.16Ω的变化范围，即Δ＝15.23Ω。如图4所示，A为基准电阻，x、y、z为粗修电阻，初始值设置为72Ω，变化量为16Ω，那么则有A//x//y//z＝72Ω，A＝72+16＝88Ω，并且x:y:z＝4:2:1，即A//x//y＝76Ω，A//x＝80Ω，可分别得到A＝88Ω，x＝880Ω，y＝1520Ω，z＝1368Ω。

根据上述设置，粗修条设计基本按照2Ω每步的步进变化。

精修调设计：

下面对电阻A的精修方法进行确定。由于最终目标值为80.16Ω，该电阻的绝对精度要达到0.01％，但目前国内工艺条件下金属薄膜电阻的绝对精度仅可达到0.02％，因此必须通过并联的方式实现小于0.02％的绝对精度。因此需要组合两个电阻，如图5所示，其并联值m//n＝A约为88Ω，且当电阻m发生0.02％的变化时，并联值的变化精度可达到0.01Ω，因此m必须为较大电阻。当电阻n＝95Ω，电阻m＝1.2KΩ时并联值非常接近88Ω，且当1.2k电阻增加0.02％时(1200.24Ω)，其与电阻n并联后阻值为88.0322Ω，调整幅度为0.0013Ω，符合设计需求。此外，根据胖电阻纵向切割最大可修调该电阻体的2/3可知，胖电阻的纵向切割调整范围可达到200％，因此1.2k电阻最大可变化至3.6k，与95Ω电阻并联后变化幅度达到4.527Ω，完全能够满足设计要求。

电阻R3最终期望精确值为80.16Ω，根据发明内容一节所述，考虑目前金属薄膜电阻在制作过程中±10％的绝对误差，电阻漂移范围可能为64.93Ω→80.16Ω，即Δ＝15.23Ω。如图5所示，A为基准电阻，x、y、z为粗修电阻，初始值设置为72Ω，变化量为16Ω，那么则有A//x//y//z＝72Ω，A＝72+16＝88Ω，并且x:y:z＝4:2:1，即A//x//y＝76Ω，A//x＝80Ω，可分别得到A＝88Ω，x＝880Ω，y＝1520Ω，z＝1368Ω。

根据上述设置，粗修条设计基本按照2Ω每步的步进变化，如表1所示。

表1粗修调电阻网络表

下面对88Ω电阻A的精修方法进行确定。如发明内容一节所述，需采用两个电阻，保证变化精度可达到0.01Ω/步，因此m必须为较大电阻。本设计方案电阻n＝90Ω、95Ω和100Ω下，可并联使用的大电阻m的阻值，如表2所示：

表2精修调电阻网络配置表

根据上表中数据规律，最佳组合应为n＝95Ω，精修大电阻为1.2K，此时并联值非常接近88Ω，且当1.2k电阻增加0.02％时(1200.24Ω)，其与电阻n并联后阻值为88.0322Ω，调整幅度为0.0013Ω，符合设计需求。此外，根据胖电阻纵向切割最大可修调该电阻体的2/3可知，胖电阻的纵向切割调整范围可达到200％，因此1.2k电阻最大可变化至3.6k，与95Ω电阻并联后变化幅度达到4.527Ω，完全能够满足本设计对该电阻的要求。

因此对于80.16Ω电阻其总的修调方案如表3所示：

表3 80.16Ω修调网络电阻配置表

本发明旨在设计RG1和RG2之间的增益误差修调模块，对该模块中的每一个电阻进行修调设计，在不使用其他控制电路的前提下，通过巧妙的并联多步等差修调结构，一方面可容忍金属薄膜电阻初始值偏移误差大至10％，最小精度2Ω/步；另一方面通过并联精修调网络实现0.01Ω/步的超高精度。二者相互配合可将仪表放大器增益误差控制在0.1％以下。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种仪表放大器超低增益误差修调电路，其特征在于，包括电阻R3、电阻R4、电阻R5和电阻R6；具体结构为：

电阻R3的一端连接仪表放大器的RG1端，另一端连接节点A；

电阻R4的一端连接节点A，另一端连接节点B；

电阻R5的一端连接节点B，另一端连接仪表放大器的RG2端；

电阻R6的一端连接节点A，另一端连接仪表放大器的RG2端。

2.如权利要求1所述的一种仪表放大器超低增益误差修调电路，其特征在于，所述电阻R3由电阻R31、电阻R32、电阻R33、电阻R34、电阻R35并联组成；所述电阻R33、电阻R34和电阻R35之间的阻值比为4:2:1；电阻R32为可调电阻。

3.如权利要求1所述的一种仪表放大器超低增益误差修调电路，其特征在于，所述电阻R4由电阻R41、电阻R42、电阻R43、电阻R44、电阻R45并联组成；所述电阻R43、电阻R44和电阻R45之间的阻值比为4:2:1；电阻R42为可调电阻。

4.如权利要求1所述的一种仪表放大器超低增益误差修调电路，其特征在于，所述电阻R5由电阻R51、电阻R52、电阻R53、电阻R54、电阻R55并联组成；所述电阻R53、电阻R54和电阻R55之间的阻值比为4:2:1；电阻R52为可调电阻。

5.如权利要求1所述的一种仪表放大器超低增益误差修调电路，其特征在于，所述步骤2中，还包括电阻R36、电阻R46和电阻R56，分别与电阻R31、R41和R51并联。

6.如权利要求5所述的一种仪表放大器超低增益误差修调电路，其特征在于，电阻R33、电阻R34、电阻R35、电阻R36的阻值比为8:4:2:1。

7.如权利要求5所述的一种仪表放大器超低增益误差修调电路，其特征在于，电阻R43、电阻R44、电阻R45、电阻R46的阻值比为8:4:2:1。

8.如权利要求5所述的一种仪表放大器超低增益误差修调电路，其特征在于，电阻R53、电阻R54、电阻R55、电阻R56的阻值比为8:4:2:1。

9.一种仪表放大器超低增益误差修调方法，基于权利要求1至4所述的一种仪表放大器超低增益误差修调电路，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，将权利要求1至4所述的一种仪表放大器超低增益误差修调电路并入仪表放大器；

步骤2，通过电阻R31//R32与电阻R33、电阻R34、电阻R35中的任意电阻进行并联，控制电阻R3的阻值按照2Ω每步的步进变化调整，选择所有组合中电阻R3阻值最接近目标值的组合；

通过电阻R41//R42与电阻R43、电阻R44、电阻R45中的任意电阻进行并联，控制电阻R4的阻值按照2Ω每步的步进变化调整，选择所有组合中电阻R4阻值最接近目标值的组合；

通过电阻R51//R52与电阻R53、电阻R54、电阻R55中的任意电阻进行并联，控制电阻R5的阻值按照2Ω每步的步进变化调整，选择所有组合中电阻R5阻值最接近目标值的组合；

步骤3，以0.02Ω为单位调整电阻R32的阻值，控制电阻R3的阻值按照0.01Ω每步的步进变化调整，直至电阻R3阻值达到目标值标准；

以0.02Ω为单位调整电阻R42的阻值，控制电阻R4的阻值按照0.01Ω每步的步进变化调整，直至电阻R4阻值达到目标值标准；

以0.02Ω为单位调整电阻R52的阻值，控制电阻R5的阻值按照0.01Ω每步的步进变化调整，直至电阻R5阻值达到目标值标准；

完成仪表放大器的修调。

10.如权利要求9所述的一种仪表放大器超低增益误差修调方法，其特征在于，所述步骤2中，还包括通过组合电阻R33、电阻R34、电阻R35、电阻R36与电阻R31的并联关系，选择所有组合中电阻R3阻值最接近目标值的组合；

通过组合电阻R43、电阻R44、电阻R45、电阻R46与电阻R41的并联关系，选择所有组合中电阻R4阻值最接近目标值的组合；

通过组合电阻R53、电阻R54、电阻R55、电阻R56与电阻R51的并联关系，选择所有组合中电阻R5阻值最接近目标值的组合。

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