零漂移運(yùn)算放大器是您設(shè)計(jì)的最佳選擇嗎？

零漂移放大器具有所有運(yùn)算放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中最低的輸入失調(diào)電壓（Vos）和失調(diào)電壓漂移。與同類(lèi)最佳的精密低輸入失調(diào)電壓運(yùn)算放大器相比，斬波器的失調(diào)漂移比傳統(tǒng)激光和封裝調(diào)整精密運(yùn)算放大器好幾十到幾百倍。零漂移放大器在低頻時(shí)也具有平坦的噪聲頻譜密度曲線(xiàn)，而傳統(tǒng)放大器具有1/f噪聲區(qū)域，噪聲會(huì)在該區(qū)域增加。

電源抑制比、共模抑制比、開(kāi)環(huán)增益和電磁干擾（EMI）抑制比等其它參數(shù)在零漂移放大器中都有所改善，因?yàn)檫@些參數(shù)表示Vos隨電源或共模等電路條件的變化情況。憑借所有這些優(yōu)勢(shì)，零漂移器件似乎是精密低頻應(yīng)用的自然選擇；然而，你仍然需要考慮一些潛在的權(quán)衡和非理想性。

零漂移放大器的第一個(gè)也是最重要的考慮因素是與內(nèi)部Vos校準(zhǔn)方法相關(guān)的輸入偏置電流瞬變。零漂移放大器采用內(nèi)部信號(hào)極性同步翻轉(zhuǎn)的方法，因此Vos在每個(gè)校準(zhǔn)周期都會(huì)改變極性。這種恒定極性翻轉(zhuǎn)將失調(diào)轉(zhuǎn)換為平均值為零的交流信號(hào)。然后濾除交流失調(diào)信號(hào)，大幅降低總失調(diào)。

校準(zhǔn)中的開(kāi)關(guān)過(guò)程使用MOSFET開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)每次改變狀態(tài)時(shí)都會(huì)產(chǎn)生電荷注入。校準(zhǔn)頻率通常接近運(yùn)算放大器的單位增益帶寬。因此，在接近運(yùn)算放大器單位增益帶寬的頻率下會(huì)出現(xiàn)瞬態(tài)輸入電流尖峰。圖1顯示了偏置電流瞬變與時(shí)間的關(guān)系。

圖1圖中顯示了零漂移放大器的偏置電流瞬變與時(shí)間的關(guān)系。來(lái)源:德州儀器

當(dāng)零漂移校準(zhǔn)產(chǎn)生的電流瞬變流經(jīng)運(yùn)算放大器電路中的源阻抗和反饋?zhàn)杩箷r(shí)，會(huì)轉(zhuǎn)換為Vos。請(qǐng)注意，反饋電阻是Rf和Rg的并聯(lián)組合。

偏置電流瞬變的轉(zhuǎn)換作用與所有運(yùn)算放大器上的傳統(tǒng)偏置電流相同，只是瞬變是交流信號(hào)，而傳統(tǒng)偏置電流通常是DC信號(hào)。零漂移瞬變產(chǎn)生的交流輸入失調(diào)電壓會(huì)產(chǎn)生明顯大于器件額定失調(diào)的平均DC失調(diào)，這實(shí)際上消除了我之前討論的零漂移放大器的出色優(yōu)勢(shì)文章.

因此，使用零漂移放大器時(shí)，必須保持足夠低的源電阻和反饋電阻，以便任何瞬態(tài)失調(diào)電壓與放大器的額定失調(diào)相比保持較小。對(duì)于不同的放大器，該電阻的具體值會(huì)有所不同。

表1列出了常見(jiàn)斬波放大器及其相關(guān)的最大源電阻和反饋電阻。如果可以將源電阻和反饋電阻保持在該最大值以下，瞬態(tài)失調(diào)相對(duì)于零漂移運(yùn)算放大器失調(diào)而言將不會(huì)很大。

表1這里列出了常見(jiàn)的斬波放大器及其相關(guān)的最大源電阻和反饋電阻。來(lái)源:德州儀器

考慮放大器在圖2。這種情況下，總反饋電阻為0.91kω(Rf | | Rg = 10kω| | 1kω= 0.91kω)。本例的源電阻為20kω。因此，在本例中，OPA333、OPA187和OPA186是可接受的選項(xiàng)，因?yàn)槠渌x項(xiàng)會(huì)引入明顯大于額定Vos的Vos誤差。大多數(shù)情況下，可以選擇滿(mǎn)足最大標(biāo)準(zhǔn)的反饋?zhàn)杩?Rf || Rg)元件值。

圖2顯示簡(jiǎn)單運(yùn)算放大器配置的零漂移放大器選擇。來(lái)源:德州儀器

選擇低值反饋電阻的唯一缺點(diǎn)是功耗過(guò)大。然而，源電阻可能與特定的傳感器特性相關(guān)，并且在選擇該元件值時(shí)可能沒(méi)有任何靈活性。如果源阻抗不允許選擇斬波放大器，則應(yīng)選擇精密激光器或封裝調(diào)整放大器。

除了偏置電流瞬變產(chǎn)生的失調(diào)以外，瞬變還會(huì)成為噪聲源，在某些情況下是有害的。在頻域中，這種噪聲在零漂移校準(zhǔn)頻率和該頻率的諧波處非常明顯。對(duì)于零漂移運(yùn)算放大器OPA188，噪聲始于650 kHz(參見(jiàn)圖3).在時(shí)域中，噪聲看起來(lái)像斬波頻率下的尖銳周期性尖峰?？梢栽诜糯笃鬏敵龆擞靡粋€(gè)簡(jiǎn)單的阻容(RC)濾波器濾除這種噪聲。

圖3圖中顯示了零漂移運(yùn)算放大器的噪聲頻譜密度。來(lái)源:德州儀器

圖4顯示了具有三種不同濾波器選項(xiàng)的零漂移運(yùn)算放大器噪聲?？梢钥吹剑词箮捪鄬?duì)較寬的低通濾波器也可以將噪聲瞬變降至在時(shí)域中幾乎檢測(cè)不到的程度。

圖4圖中顯示了三種不同輸出濾波器的時(shí)域噪聲。來(lái)源:德州儀器

關(guān)鍵設(shè)計(jì)考慮因素

對(duì)于要求低Vos和低Vos溫度漂移的應(yīng)用，斬波放大器是絕佳選擇。然而，在這些應(yīng)用中，必須確保源電阻和輸入電阻不會(huì)將輸入偏置電流瞬變轉(zhuǎn)換為輸入失調(diào)電壓。表1列出了許多常見(jiàn)零漂移放大器的最大容許源電阻和反饋電阻。

雖然瞬變也可能是噪聲源，但您可以使用一個(gè)簡(jiǎn)單的RC濾波器來(lái)最小化零漂移噪聲。

Art Kay是德州儀器精密放大器團(tuán)隊(duì)的應(yīng)用工程師.

審核編輯 黃宇