多級放大器電路Vos失調(diào)電壓的評估方法分享

相信大多數(shù)的工程師在失調(diào)電壓評估中都會使用最大值規(guī)避這類問題。那么是否使用了失調(diào)電壓最大值分析影響就能高枕無憂？本篇通過多級放大器電路探討這一問題。

筆者曾接觸過幾家企業(yè)的工程師都參考AD8221數(shù)據(jù)手冊推薦的電路將單端輸入信號轉(zhuǎn)為差分信號，用于驅(qū)動24bit ∑Δ型ADC測量直流信號，電路如圖3.5。其中有個別工程師預(yù)期在沒有標定的前提下，測量到1mV電壓。以該目標分析這個多級放大器的直流噪聲。

圖3.5 AD8221單端轉(zhuǎn)差分電路

首先查驗電路架構(gòu)，確認對直流噪聲的影響最大因素是失調(diào)電壓。

進一步分析各放大器的失調(diào)電壓。如圖4.14(a)，AD8221ARZ在25℃環(huán)境中，供電電源±15V時，輸入失調(diào)電壓最大值為60μV, 輸出失調(diào)電壓最大值為300μV。如圖4.14(b)，OP27G在25℃環(huán)境中，供電電源±15V時，輸入失調(diào)電壓典型值為30μV，最大值為100μV。如圖4.14(c)，AD8022ARZ在25℃環(huán)境中，供電電源±12V，電路增益為1時，輸入失調(diào)電壓典型值為1.5mV,最大值為6mV。

圖4.14 AD8221、OP27、AD8022失調(diào)電壓

如果AD8221ARZ配置的增益為5時，相信很多工程師都會得出，電路輸出的最大失調(diào)為：

6.7mV的輸出失調(diào)電壓超出預(yù)期，在沒有標定的測量系統(tǒng)中不適用，所以需要更換型號。

上訴分析過程看似有理有據(jù)，卻存在一個漏洞。電路所使用的AD8221ARZ、OP27GS與AD8022ARZ同時出現(xiàn)最大值的可能性有多少？

以AD8221輸入失調(diào)電壓為例，極限值為±60μV。如圖4.15 ，在輸入失調(diào)電壓分布圖中，極限值附近沒有柱形圖出現(xiàn)。其實在芯片生產(chǎn)中，常以±σ代表典型值，±3σ作為極限值，參數(shù)超出極限值的芯片將視為“次品”報廢處理。而參數(shù)在±3σ坐標系之內(nèi)任一點概率為零，因為概率為任一段概率密度曲線下的面積。所以使用極限失調(diào)電壓值附近一段范圍計算概率， 這里假定為標準差分布在-2.576σ~-3σ與+2.576σ~+3σ內(nèi)的概率。參照表2.5，概率僅為0.73%，所以±60μV極限值附近沒有出現(xiàn)在分布圖中屬于合理情況。

圖4.15 AD8221輸入失調(diào)電壓分布

表2.5標準差與對應(yīng)概率關(guān)系

同樣方式分析OP27GS與AD8022ARZ的失調(diào)電壓極限值的概率，得到三個芯片同時出現(xiàn)最大值的概率約為0.73%的三次方，即0.0000389%，這種概率幾乎是不可能出現(xiàn)。所以，直接疊加不同器件極限值的評估方式不合理。因為隨著電路器件增多，參數(shù)同時出現(xiàn)極限值的概率極低。

在多級電路中，應(yīng)該使用典型值的均方根疊加這些不相關(guān)噪聲,計算系統(tǒng)失調(diào)直流噪聲。

由于三款放大器中AD8022的失調(diào)電壓典型值為1.5mV，遠遠大于其他放大器失調(diào)電壓，所以均方根計算值不會低于1.5mV,同樣超出預(yù)期要求。雖然兩種方法的判斷結(jié)果相同，但是不代表極限值累加的方法正確。

筆者首先推薦ADA4522ARZ替換AD8022ARZ，如圖2.46，ADA4522-2ARZ在25℃環(huán)境，供電范圍30V時，失調(diào)電壓典型值為1μV。

圖2.46 ADA4522-2ARZ失調(diào)電壓

其次，筆者推薦使用ADA4077-1ARZ替換OP27G。如圖4.16，在ADI官網(wǎng)OP27頁面標出“不推薦在新設(shè)計中使用”，不排除后續(xù)存在停產(chǎn)的風(fēng)險。

圖4.16 OP27官網(wǎng)信息

如圖2.2，ADA4077ARZ在25℃環(huán)境中，供電電壓為±15V時，失調(diào)電壓典型值為15uV。

另外，由于AD8221數(shù)據(jù)手冊中沒有輸出失調(diào)電壓參數(shù)典型值及分布，所以介紹管腳封裝兼容的AD8422BRZ進行評估。AD8422BRZ在25℃環(huán)境，供電電壓±15V時，輸入失調(diào)電壓典型值為±30μV 如圖4.17（a）。輸出失調(diào)電壓典型值為±100μV 如圖4.17（b）。

4.17 AD8422輸入失調(diào)電壓與輸出失調(diào)電壓分布

調(diào)整后電路的輸出直流噪聲為:

改后的直流噪聲約為0.25mV小于預(yù)期目標1mV。后續(xù)工程師使用ADA4077、ADA4522進行替換OP27、AD8022，完成驗證。

綜上，隨著放大器電路級數(shù)的增加，各級放大器的失調(diào)電壓同時出現(xiàn)極限值的可能性接近為零，所以不適合使用最大值進行評估，而是使用典型值通過不相關(guān)噪聲的疊加方式進行分析。

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