失調(diào)與增益調(diào)整

問：我想向你請(qǐng)教有關(guān)失調(diào)與增益調(diào)整問題。

答：一般不用調(diào)整，除非你必須調(diào)整。有兩種方法供選擇：(1)使用好用的設(shè)備、 元器件和不需調(diào)整便能滿足要求的電路；(2)利用數(shù)字技術(shù)，對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行軟件調(diào)整修正 。當(dāng)你考慮到電路設(shè)計(jì)、溫度、振動(dòng)和壽命對(duì)性能和穩(wěn)定性的影響時(shí)，有時(shí)使用調(diào)整電位器 (連接到待調(diào)整的器件上)可以調(diào)整掉由此產(chǎn)生的影響，當(dāng)然還包括附加的技術(shù)處理和復(fù)雜的 調(diào)整要求。

問：我大概明白了一些，那么請(qǐng)你詳細(xì)地說一下我應(yīng)該如何調(diào)整模擬電路中的失調(diào) 誤差和增益誤差?

答：按正常順序是先調(diào)整輸入端。如果你考慮到被調(diào)整電路的傳輸特性，那么通 常使用直接方法。線性模擬電路簡(jiǎn)化的理想傳輸特性(例如放大器、ADC或DAC)由下式給出：
OP=K×IP(1)
其中OP為輸出，IP為輸入，K為比例因子。應(yīng)該注意的是，上述簡(jiǎn)化形式蘊(yùn)含著許多問 題：ADC的量化誤差，當(dāng)輸入和輸出形式不同(如輸入為電壓，輸出為電流)時(shí)K的量綱問題， 故意偏置及其它問題。在實(shí)際(非理想)電路中，折合到輸入端的失調(diào)誤差和增益誤差分別為OS和ΔK,從而上述 公式還可寫成：
OP=(K+ΔK)×(IP+OS)(2)
OP=K×IP+K×OS+ΔK×IP+ΔK×OS(3)
方程(2)和(3)是不完整的，因?yàn)樗鼈儍H考慮了輸入失調(diào)，但這種情況最普 遍。后面將討論輸入失調(diào)與輸出失調(diào)獨(dú)立的系統(tǒng)。
從式(3)可以看出，當(dāng)未知的失調(diào)出現(xiàn)時(shí)，直接調(diào)整增益是不合理的，必須首先調(diào)整失 調(diào)。設(shè)IP為零，調(diào)整失調(diào)使OP也為零。然后調(diào)整增益，當(dāng)輸入接近滿度(FS) 時(shí)，調(diào)整增益使輸出符合式(1)。

問：對(duì)于雙極性ADC和DAC應(yīng)該如何調(diào)整?

答：許多ADC和DAC可在單極性和雙極性工作方式之間進(jìn)行切換，這種器件不論 用于何種場(chǎng)合都應(yīng)在單極性方式下進(jìn)行失調(diào)和增益調(diào)整。即使轉(zhuǎn)換器不可能工作在單極性場(chǎng) 合，或者轉(zhuǎn)換器僅工作在雙極性的場(chǎng)合，或者在其它情況下都是如此。

可以把雙極性轉(zhuǎn)換器看作失調(diào)很大的單極性轉(zhuǎn)換器(確切地說，失調(diào)為1 MSB，即滿度范 圍的一半)。根據(jù)所使用轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)，這種雙極性失調(diào)(BOS)不一定受增益調(diào)整的影響。如 果受到影響，那么公式(1)可寫成：
OP=K×(IP-BOS)(4)
在這種情況下，其增益調(diào)到接近滿度FS(正滿度或負(fù)滿度均可，但通常調(diào)到正滿度) 之后，在模擬零點(diǎn)調(diào)整失調(diào)。對(duì)于雙極性失調(diào)，在DAC失調(diào)范圍內(nèi)的情況下，這是一種常用 方法。
如果雙極性失調(diào)不受增益調(diào)整的影響，那么公式(1)可寫成：
OP=K×IP-BOS(5)
在這種情況下，在負(fù)FS調(diào)整失調(diào)，而在正FS(或非常接近FS)調(diào)整增益。大多數(shù)ADC 都采用這種方法，而且DAC的雙極性失調(diào)使用運(yùn)算放大器和外接電阻，也采用這種方法。當(dāng)然，總是應(yīng)該按照產(chǎn)品說明中建議的方法進(jìn)行調(diào)整，但是如果產(chǎn)品說明中沒有給出調(diào) 整方法，通常DAC應(yīng)在模擬零點(diǎn)調(diào)整失調(diào)，而ADC應(yīng)在負(fù)FS處調(diào)整失調(diào)或者ADC與DAC都在接近 正FS處調(diào)整失調(diào)。

問：為什么你總強(qiáng)調(diào)“接近”FS?

答：放大器和DAC都在零點(diǎn)和FS處進(jìn)行調(diào)整。在DAC中，全“1”最大可能數(shù)字 輸入應(yīng)該產(chǎn)生低于“滿度”1 LSB 的輸出，這里的“滿度”認(rèn)為是某一常數(shù)乘以基準(zhǔn)。因此 DAC的輸出是基準(zhǔn)電壓與數(shù)字輸入的歸一化乘積。ADC不在零點(diǎn)和FS處調(diào)整。理想的ADC輸出是被量化的，而且第一個(gè)輸出變遷點(diǎn)(從00… 00到00…01)發(fā)生在全0標(biāo)稱值以上1/2 LSB。隨后相繼的變遷點(diǎn)均發(fā)生在模擬輸出每增加1 L SB處直至最后一個(gè)變遷點(diǎn)發(fā)生在FS以下1/2 LSB 處。非理想ADC的調(diào)整首先是將其輸入值設(shè) 置到要求變遷的標(biāo)稱值，然后調(diào)整ADC輸出直至使其輸出在變遷點(diǎn)對(duì)應(yīng)的兩個(gè)數(shù)字量之間有 同樣的跳動(dòng)。因此，ADC的失調(diào)應(yīng)在輸入對(duì)應(yīng)第一個(gè)變遷點(diǎn)(即零點(diǎn)或-FS以上1/2 LSB，它“接近” 零點(diǎn)或“接近”-FS)，而增益則應(yīng)在最后一個(gè)變遷點(diǎn)(即正+FS以下1 1/2 LSB，它“接近”+ FS)。這種方法雖然在失調(diào)調(diào)整過程中，在增益誤差和失調(diào)誤差之間會(huì)產(chǎn)生一定的相互影響 ，但是小得微不足道。

問：要求在“接近”FS而又不在FS處進(jìn)行調(diào)整，還會(huì)帶來其它異常后果碼 ?
答：同步電壓頻率轉(zhuǎn)換器(SVFC)當(dāng)其輸出頻率和諧地與其時(shí)鐘頻率相關(guān)時(shí)，即 其輸出頻率非常接近時(shí)鐘頻率的1/2，1/3或1/4時(shí)，容易出現(xiàn)注入鎖相(injection locking) 現(xiàn)象。SVFC的FS等于1/2時(shí)鐘頻率。在這種情況下進(jìn)行調(diào)整時(shí)會(huì)使問題惡化。因此建議SVFC 的增益調(diào)整應(yīng)在FS的95% 附近。
問：“輸入”和“輸出”失調(diào)調(diào)整對(duì)電路有什么要求?
答：像儀表放大器和隔離放大器這種電路通常都有兩級(jí)直流增益，而且輸入級(jí) 增益是可變的。所以兩級(jí)放大器具有輸入失調(diào)IOS、輸出失調(diào)OOS，第一級(jí)增益K和輸出級(jí)單 位增益，在零輸入時(shí)輸出OP為：
OP=OOS+K×IOS(6)
由式(6)顯然可以看出，如果增益恒定，我們僅調(diào)整IOS或OOS使總失調(diào)為零(另外， 如果輸入 級(jí)采用長尾對(duì)雙極型晶體管，當(dāng)對(duì)IOS和OOS都進(jìn)行調(diào)整時(shí)會(huì)得到更好的失調(diào)溫度系數(shù)；但對(duì) 于長尾對(duì)FET則不必調(diào)整)。如果第一級(jí)增益改變，那么IOS與OOS失調(diào)都得重新調(diào)整。
IOS與OOS是一種反復(fù)調(diào)整的過程。在零輸入時(shí)，增益設(shè)置到最大，調(diào)整IOS 直至輸出為零。然后增益減到最小，再調(diào)整OOS直到輸出也為零。重復(fù)上述IOS與OOS調(diào)整 過程直至無需進(jìn)一步調(diào)整為止。在IOS與OOS都未調(diào)整到零之前不應(yīng)調(diào)整增益。在失調(diào)調(diào)整過 程中對(duì)于實(shí)際增益數(shù)值的高或低并不重要。

問：對(duì)于增益和失調(diào)調(diào)整應(yīng)該采用什么樣的電路?
答：許多放大器(即少數(shù)轉(zhuǎn)換器)都有調(diào)整增益和失調(diào)的端子，但也有許多器件沒有。失調(diào)調(diào)整通常在兩個(gè)指定調(diào)整端之間接一個(gè)電位器，其滑動(dòng)端(有時(shí)經(jīng)過一只電阻)接 到電源的一端。正確的接線及選用元件的數(shù)值請(qǐng)見所用器件的產(chǎn)品說明。運(yùn)算放大器失調(diào)調(diào) 整中最常見的一個(gè)差別就是校正電位器的偏移值不同以及應(yīng)該連接的電源電壓不同。

在沒有提供單獨(dú)的失調(diào)調(diào)整端子的情況下，一般對(duì)輸入信號(hào)端加一個(gè)恒定的失調(diào)調(diào)整量 。有兩種基本失調(diào)調(diào)整方法，如圖11?1(a)和11?1(b)所示。當(dāng)系統(tǒng)使用差 分輸入運(yùn)算放大 器作為反相器(最常見)的情況下，使用圖11?1(a)所示的方法對(duì)器件失調(diào)而 不是對(duì)系統(tǒng)失調(diào) 作修正最合適。在單端輸入方式中，方法11?1(b)用來對(duì)系統(tǒng)失調(diào)進(jìn)行調(diào)整 ，但對(duì)于失調(diào)很小的器件，應(yīng)該盡量 避 免使用這種方法，因?yàn)槌Ｐ枰?與信號(hào)輸入電阻相比)很大阻值的求和電阻，目的在于：(1) 避免求和點(diǎn)輸入信號(hào)過大；(2)保持適當(dāng)?shù)谋壤拚妷翰⑶野巡罘蛛娫措妷浩频挠绊懰?減到最小。另外在兩個(gè)電源與電位器之間連接一個(gè)電阻，常常有助于增加調(diào)整分辨率和減小 功耗。

圖11?1 兩種失調(diào)調(diào)整方法

凡是為電路提供增益調(diào)整的場(chǎng)合，一般都由可變電阻器構(gòu)成，有關(guān)其具體阻值和接線方 法請(qǐng)見有關(guān)器件的產(chǎn)品說明。在不需要增益調(diào)整的場(chǎng)合，可用固定電阻器來取代可變電阻器 ，固定電阻器的阻值為推薦調(diào)整電位器最大阻值的一半。

在不提供增益調(diào)整的場(chǎng)合，如果沒有附加的可調(diào)增益級(jí)，總不能在外部進(jìn)行調(diào)整。例如 ，考慮含有梯形網(wǎng)絡(luò)的DAC。如果使用的梯形網(wǎng)絡(luò)按電流方式工作(圖11?2(a))，那么在基 準(zhǔn)端的輸入阻抗不隨輸入的數(shù)字量變化，而且DAC的增益可以用一個(gè)與基準(zhǔn)輸入端或反饋電 阻相串聯(lián)變化很小的電阻進(jìn)行調(diào)整。然而，如果使用的DAC按電壓方式工作(圖11?2(b))， 那么基 準(zhǔn) 輸入阻抗與輸入數(shù)字量有關(guān)，而且其增益只能通過改變基準(zhǔn)電壓(這一般是不可能的)，或者 通過改變緩沖放大器的增益來調(diào)整。

因此，不提供增益調(diào)整的那種電路的增益調(diào)整的可能性要根據(jù)具體情況而定，只能 具體情況具體分析。

問：我沒有足夠的調(diào)整范圍來調(diào)整電路的失調(diào)電壓，并且它似乎有比我預(yù)計(jì)還要多 的漂移。
答：我敢斷定這個(gè)放大器是雙極型的，并且你正在使用它的失調(diào)調(diào)整端來調(diào)整 其它線路的電壓。 問：你估計(jì)將會(huì)怎樣?
答：一個(gè)運(yùn)算放大器的失調(diào)調(diào)整范圍通常是最低

等級(jí)器件的失調(diào)最大值的2至5倍( 有些早期的運(yùn)算放大器還要大很多，但這么寬的范圍是不理想的)。假如最低等級(jí) 的運(yùn)算放 大器失調(diào)電壓V OS 最大值為±1 mV，那么很可能使用推薦電路的調(diào)整范圍是 ±2～±5 mV。

假如你正在試驗(yàn)的需要補(bǔ)償?shù)耐獠侩妷罕冗@個(gè)折合到輸入端的電壓還要大，那么你就不能用運(yùn)算放大器的失調(diào)調(diào)整端來調(diào)整。

假如你正在使用的是雙極型輸入的運(yùn)算放大器，那么使用失調(diào)調(diào)整端來調(diào)整外部失調(diào)是 不妥當(dāng)?shù)模驗(yàn)槠茖?huì)增加。這究竟是為什么呢?這是因?yàn)檩斎爰?jí)的溫度漂移正比于內(nèi)部 失 調(diào)電壓。假如內(nèi)部失調(diào)電壓已被調(diào)整到最小，那么漂移也最??；假如用外部失調(diào)電壓來補(bǔ)償 放大器，那么漂移是不能減小的。但以場(chǎng)效應(yīng)管(FET)為輸入級(jí)的運(yùn)算放大器，它的失調(diào)電 壓 和漂移是獨(dú)立的，所以它的失調(diào)可以用一個(gè)小系統(tǒng)來單獨(dú)調(diào)整。