淺談零漂移放大器的應(yīng)用和工作原理

作者：德州儀器 Errol Leon， Richard Barthel， Tamara Alani

引言

零漂移放大器采用獨(dú)特的自校正技術(shù)，可提供適用于通用和精密應(yīng)用的超低輸入失調(diào)電壓（Vos）和接近零的隨時(shí)間和溫度輸入失調(diào)電壓漂移（dVos/dT）。TI的零漂移拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還提供了其他優(yōu)勢(shì)，包括無(wú)1/f噪聲，低寬帶噪聲和低失真——簡(jiǎn)化了開發(fā)復(fù)雜性并降低了成本。這可以通過(guò)兩種方式中的一種來(lái)完成；斬波器或自動(dòng)調(diào)零。本技術(shù)說(shuō)明將解釋標(biāo)準(zhǔn)的連續(xù)時(shí)間和零漂移放大器之間的差異。

適用零漂移放大器的應(yīng)用

零漂移放大器適用于各種通用和精密應(yīng)用，使其從信號(hào)路徑的穩(wěn)定性中受益。這些放大器出色的失調(diào)和漂移性能使其在信號(hào)路徑的早期特別有用，其中高增益配置和連接微伏信號(hào)的接口很常見(jiàn)。受益于此技術(shù)的常見(jiàn)應(yīng)用還包括精密應(yīng)變計(jì)和體重秤、電流分流測(cè)量、熱電偶、熱電堆和橋式傳感器接口。

軌到軌零漂移放大器

系統(tǒng)性能可通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)的連續(xù)時(shí)間放大器和系統(tǒng)級(jí)自動(dòng)校準(zhǔn)機(jī)制進(jìn)行優(yōu)化。但是，這種額外的自動(dòng)校準(zhǔn)需要復(fù)雜的硬件和軟件，從而增加了開發(fā)的時(shí)間、成本和電路板空間。另一種更有效的解決方案是使用零漂移放大器，如OPA388。

傳統(tǒng)的軌到軌輸入CMOS架構(gòu)具有兩個(gè)差分對(duì)；一個(gè)PMOS晶體管對(duì)（藍(lán)色）和一個(gè)NMOS晶體管對(duì)（紅色）。具有軌到軌輸入操作的零漂移放大器使用圖1所示的相同互補(bǔ)p溝道（藍(lán)色）和n溝道（紅色）輸入配置。

圖1.簡(jiǎn)化的PMOS/NMOS差分對(duì)

這種輸入架構(gòu)的結(jié)果表現(xiàn)出一定程度的交越失真（有關(guān)交越失真的更多信息，請(qǐng)參閱零交越放大器：特性和優(yōu)勢(shì)）。但是，放大器的失調(diào)會(huì)通過(guò)其內(nèi)部定期的校準(zhǔn)來(lái)糾正，所以失調(diào)變化的幅度和交越失真大大減小。圖2顯示了標(biāo)準(zhǔn)CMOS軌到軌和零漂移放大器之間的失調(diào)的比較。

圖2.CMOS和零漂移輸入失調(diào)電壓比較

零漂移如何工作

斬波零漂移放大器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以具有與連續(xù)時(shí)間放大器一樣多的級(jí)數(shù)——主要區(qū)別在于第一級(jí)的輸入和輸出具有一組開關(guān)，用于在每個(gè)校準(zhǔn)周期內(nèi)反轉(zhuǎn)輸入信號(hào)。圖3顯示了前半個(gè)周期。在前半周期，兩組開關(guān)都配置為翻轉(zhuǎn)輸入信號(hào)兩次，但失調(diào)翻轉(zhuǎn)一次。這使輸入信號(hào)保持同相，但失調(diào)誤差極性相反。

圖3.內(nèi)部結(jié)構(gòu)的前半個(gè)周期

圖4顯示了后半個(gè)周期。在這里，兩組開關(guān)都配置為通過(guò)未改變的方式傳遞信號(hào)和失調(diào)誤差。實(shí)際上，輸入信號(hào)永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)生相位變化，始終保持不變。由于來(lái)自第一時(shí)鐘相位和第二時(shí)鐘相位的失調(diào)誤差極性相反，因此誤差被平均為零。

圖4.內(nèi)部結(jié)構(gòu)的后半個(gè)周期

在相同的開關(guān)頻率下使用同步陷波濾波器來(lái)衰減任何殘留誤差。這個(gè)原理在整個(gè)放大器的輸入、輸出和環(huán)境操作過(guò)程中依然有效。從本質(zhì)上講，TI的零漂移技術(shù)憑借這種自我修正機(jī)制提供超高性能和卓越的精度。

表1顯示了連續(xù)時(shí)間和零漂移放大器的Vos和dVos/dT的比較。請(qǐng)注意，零漂移放大器的Vos和dVos/dT要小三個(gè)數(shù)量級(jí)。

自動(dòng)調(diào)零需要不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但功能相似。自動(dòng)調(diào)零技術(shù)在輸出端失真較少。斬波使得寬帶噪聲更低。

零漂移放大器中的噪聲

通常，零漂移放大器具有最低的1/f噪聲（0.1Hz - 10Hz）。1/f噪聲（也稱為閃爍或粉紅噪聲）是低頻率的主要噪聲源，并且可能對(duì)精密直流應(yīng)用有害。零漂移技術(shù)使用周期性自我校正機(jī)制有效地抵消緩慢變化的失調(diào)誤差（如溫漂和低頻噪聲）。

圖5顯示了零漂移（紅色）和連續(xù)時(shí)間（黑色）放大器的1/f和寬帶電壓噪聲頻譜密度。注意零漂移曲線沒(méi)有1/f電壓噪聲。

圖5.電壓噪聲比較

再次，為什么選擇零漂移放大器？

零漂移放大器可提供超低輸入失調(diào)電壓，接近零的隨溫度和時(shí)間輸入失調(diào)電壓漂移，并且無(wú)1/f 電壓噪聲——這些設(shè)計(jì)因素對(duì)通用和精密應(yīng)用至關(guān)重要。

其它資源

下面的表2重點(diǎn)介紹了TI的一些零漂移放大器。有關(guān)完整列表，請(qǐng)點(diǎn)擊查看德州儀器的參數(shù)搜索工具結(jié)果。