這些專用運算放大器除了具有低輸入失調電壓外,通常還在寬溫度和時間範圍具有高共模抑制比(CMRR)、高電源抑制比(PSRR)、高開環增益和較低的漂移。所有這些特性使它們成為精密應用的理想選擇,因為這些元件能夠精確地測量小的差分電壓,並且高的開環增益確保良好的閉環增益精度。它們也不太容易受到外界如電源變化、共模電壓和溫度效應的影響。

零漂移運算放大器特別適合於差分訊號較小的精密應用,尤其是低頻應用,這包括物聯網(IoT)和工業4.0應用(工業物聯網,IIoT)中使用的許多感測方案。隨著在電池供電(甚或能量採集)應用中趨向使用低功耗、節能感測器,零漂移運算放大器在許多現代應用中尤其有用,如現在正迅速增長的IoT。

輸入偏置電壓

輸入失調電壓是個重要參數,因為它定義了可以可靠擷取和放大的最小訊號,從而限定了較低的動態範圍。在資料表中,通常將其稱為VOS或VIO,它是IN+和IN-端子之間的差分電壓的量度,有效地測量了運算放大器輸入對的匹配程度。

在理論上理想的運算放大器中,輸入端子在閉環系統中將處於相同的電壓電平,但在實際應用中,總會有一些輸入失調電壓,不過很小。這是由於半導體材料的實際變化導致輸入引腳上的內部電壓升高,這些材料差異還會導致輸入失調電壓隨溫度變化,從而幅度甚至極性變化,使應用中校準極具挑戰。

典型的通用運算放大器的輸入失調電壓約為幾毫伏(mV),而專用零漂移運算放大器的輸入失調電壓約為10~25微伏(μV),小兩個數量級。

零漂移技術和架構

可採用幾種技術來確保在寬溫度和時間範圍內具有低輸入失調電壓,以產生零漂移運算放大器。 實現此目的的方法之一是定期測量輸入失調電壓,然後施加校正電壓以調整運算放大器輸出的偏移量,這種方法被稱為「斬波器穩定(chopper stabilization)」,因其在前饋部分使用了斬波器。

20191203TA71P1 圖1 斬波穩定運算放大器的簡化框架圖。

斬波穩定技術的主要限制之一與在斬波器中電路包含時脈系統有關,因此,零漂移運算放大器易受經典採樣系統混疊或外差問題的影響,當輸入訊號的頻率類似於斬波電路的時脈頻率時,這尤為明顯。斬波穩定器運算放大器的最佳性能出現在輸入訊號頻率保持在相關奈奎斯特(Nyquist)頻率以下時,設計人員應注意確保輸入頻率保持在失調校正頻率的一半以下(並在閉迴路頻寬內),以獲得最佳性能。

創建零漂移架構的另一種方法稱為「自動歸零」。儘管系統架構最初看起來類似於具有高頻路徑和低頻前饋校正路徑的斬波穩定架構,但實現方式卻大不相同。

雖然所有斬波穩定和自動歸零運算放大器都易受混疊影響,但可以減輕這種影響。例如,安森美半導體的NCS333和NCS21911元件含兩個級聯的、對稱的RC陷波濾波器,這些濾波器已調諧到斬波頻率和5次諧波,這種佈局比市場上的其他元件減小混疊效應並提供強大的性能。

20191203TA71P2 圖2 自動歸零運算放大器的簡化框架圖。

採用零漂移運算放大器設計注意事項

使用零漂移運算放大器的主要設計考慮因素涉及減輕混疊。這現象不應被認為是一種缺陷,這是需要瞭解和緩解的行為。

減輕混疊的關鍵是知道運算放大器的時脈頻率。在許多情況下,製造商不會發佈資訊,因此需要進行實驗以推斷。最簡單和最有效的一個方法是簡單的時域測試,同時使用示波器監視輸出。合理假設頻率在元件的增益頻寬積之內,則放大器輸入應從零頻率掃描到增益頻寬積。測試顯示,時脈頻率通常是增益頻寬積的三分之一,但並非總是如此。

為從零漂移放大器獲得最佳性能,設計人員應遵循奈奎斯特採樣理論,並確保最大訊號頻率小於內部時脈頻率的一半。但精密(從「靈敏」改為「精密」,以避免重複)類比電路對從雜散訊號、雜訊或紋波中拾取敏感-其中任何一個都可能包含高於奈奎斯特頻率的頻率,這可能會導致誤差或錯誤的輸出。

好的做法是在放大器之前包含一個數位低通濾波器,以用作抗混疊濾波器。濾波器衰減高於奈奎斯特頻率的頻率以減少或消除任何混疊,該濾波器必須是純模擬的並且沒有主動元件,在許多情況下,只需要一個簡單的兩段級聯RC濾波器。

一般而言,級聯零漂移放大器並不是好的設計實踐,因為不同的時脈頻率可能會相互作用,從而導致不良影響,包括可能的混疊。

建議使用相對較低值的輸入電阻,因為斬波穩定電路會產生輸入電流尖峰,從而產生電壓,電壓隨後被放大。如前所述,可使用合適的被動RC濾波器來衰減這些尖峰。

設計人員還應意識到,零漂移運算放大器的建立時間有限,因為斬波電路是基於時間的採樣。這代表輸入的大動態步長(或超載)可能使迴路需要時間來重新建立低輸入失調。

但透過使用更高的時脈頻率,可以期望快速恢復和建立時間,通常在幾十微秒之內。任何事情都需要權衡取捨,在這也不例外,因為更快的建立時間可能導致更高的輸入失調,大多數零漂移運算放大器都優先在建立時間內減小輸入失調。

由於在零漂移運算放大器內有相當數量的邏輯電路,啟動所需的時間是有限的,在此期間,輸出將反映未經校正的輸入失調電壓。在大多數情況下,這不是個問題,因為影響只發生在最初的幾個時脈週期,而相關的時間是在整個系統的上電時間內。

如果設計人員使用模擬工具來開發電路,應意識到SPICE模型不能深入瞭解零漂移行為,如混疊。典型的SPICE模型模擬元件的線性性能,並非斬波器的線性性能,部分原因是這會大大降低模擬速度。

小結

輸入失調電壓是所有運算放大器的一個關鍵參數,對於注重這參數的應用,可採用專用的零漂移運算放大器,實現在低差分輸入情況下的精密應用。

就像所有的工程方案,設計人員需要權衡取捨以獲得最佳的性能。而這些專用元件使輸入頻率保持在奈奎斯特頻率以下,並提供一些基本的被動濾波,極其適用於低頻感測器應用。

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