利用斬波穩定架構零漂移運算放大器優勢的切實考慮
發布時間：2020-04-14 責任編輯：lina
【導讀】一種特殊形式的運算放大器，適用於精密應用，在這些應用中，輸入差分信號非常小，輸入引腳上的任何偏移都可能在輸出端引起嚴重誤差。
零漂移運算放大器
yizhongteshuxingshideyunsuanfangdaqi，shiyongyujingmiyingyong，zaizhexieyingyongzhong，shuruchafenxinhaofeichangxiao，shuruyinjiaoshangderenhepianyidoukenengzaishuchuduanyinqiyanzhongwucha。
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內具有高共模抑製比（CMRR）、高電源抑製比（PSRR）、高(gao)開(kai)環(huan)增(zeng)益(yi)和(he)較(jiao)低(di)的(de)漂(piao)移(yi)。所(suo)有(you)這(zhe)些(xie)特(te)性(xing)使(shi)它(ta)們(men)成(cheng)為(wei)精(jing)密(mi)應(ying)用(yong)的(de)理(li)想(xiang)選(xuan)擇(ze)，因(yin)為(wei)這(zhe)些(xie)器(qi)件(jian)能(neng)夠(gou)精(jing)確(que)地(di)測(ce)量(liang)小(xiao)的(de)差(cha)分(fen)電(dian)壓(ya)，並(bing)且(qie)高(gao)開(kai)環(huan)增(zeng)益(yi)確(que)保(bao)良(liang)好(hao)的(de)閉(bi)環(huan)增(zeng)益(yi)精(jing)度(du)。它(ta)們(men)也(ye)不(bu)太(tai)容(rong)易(yi)受(shou)到(dao)外(wai)界(jie)如(ru)電(dian)源(yuan)變(bian)化(hua)、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信號較小的精密應用，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IoT）中使用的許多感知方案。
隨著在電池供電（或能量采集）應用中趨向使用低功耗、節能傳感器，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。
（一）輸入偏置電壓
輸入失調電壓是個重要參數，因為它定義了可以捕獲和放大的最小信號，從而限定了較低的動態範圍。在數據表中，通常將其稱為VOS或VIO。它是IN+和IN-端子之間差分電壓的量度，有效地測量了運算放大器輸入對的匹配程度。
在zai理li論lun上shang理li想xiang的de運yun算suan放fang大da器qi中zhong，輸shu入ru端duan子zi在zai閉bi環huan係xi統tong中zhong將jiang處chu於yu相xiang同tong的de電dian壓ya電dian平ping。但dan在zai實shi際ji應ying用yong中zhong，總zong會hui有you一yi些xie輸shu入ru失shi調tiao電dian壓ya，不bu過guo很hen小xiao。這zhe是shi由you於yu半ban導dao體ti材cai料liao的de實shi際ji變bian化hua導dao致zhi輸shu入ru引yin腳jiao上shang的de內nei部bu電dian壓ya升sheng高gao。這zhe些xie材cai料liao差cha異yi還hai會hui導dao致zhi輸shu入ru失shi調tiao電dian壓ya隨sui溫wen度du變bian化hua而er產chan生sheng幅fu度du變bian化hua甚shen至zhi極ji性xing變bian化hua，使shi應ying用yong中zhong的de校xiao準zhun極ji具ju挑tiao戰zhan性xing。
典型的通用運算放大器的輸入失調電壓約為幾毫伏，而專用零漂移運算放大器的輸入失調電壓約為10-25微伏，小兩個數量級。
（二）零漂移技術和架構
kecaiyongjizhongjishulaiquebaozaikuanguangdewenduheshijianfanweineijuyoudishurushitiaodianya，yichanshenglingpiaoyiyunsuanfangdaqi。shixiancimubiaodefangfazhiyishidingqiceliangshurushitiaodianya，ranhoushijiaxiaozhengdianyayitiaozhengyunsuanfangdashuchudepianyiliang。zhezhongfangfabeichengwei“斬波穩定”，因其在前饋部分使用了斬波器。
斬(zhan)波(bo)穩(wen)定(ding)技(ji)術(shu)的(de)主(zhu)要(yao)限(xian)製(zhi)在(zai)於(yu)斬(zhan)波(bo)器(qi)的(de)電(dian)路(lu)中(zhong)包(bao)含(han)時(shi)鍾(zhong)係(xi)統(tong)。因(yin)此(ci)，零(ling)漂(piao)移(yi)運(yun)算(suan)放(fang)大(da)器(qi)易(yi)受(shou)經(jing)典(dian)采(cai)樣(yang)係(xi)統(tong)混(hun)疊(die)或(huo)外(wai)差(cha)問(wen)題(ti)的(de)影(ying)響(xiang)。當(dang)輸(shu)入(ru)信(xin)號(hao)的(de)頻(pin)率(lv)類(lei)似(si)於(yu)斬(zhan)波(bo)電(dian)路(lu)的(de)時(shi)鍾(zhong)頻(pin)率(lv)時(shi)，這(zhe)尤(you)為(wei)明(ming)顯(xian)。斬(zhan)波(bo)穩(wen)定(ding)運(yun)算(suan)放(fang)大(da)器(qi)的(de)最(zui)佳(jia)性(xing)能(neng)出(chu)現(xian)在(zai)輸(shu)入(ru)信(xin)號(hao)頻(pin)率(lv)保(bao)持(chi)在(zai)相(xiang)關(guan)奈(nai)奎(kui)斯(si)特(te)頻(pin)率(lv)以(yi)下(xia)時(shi)。設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)應(ying)注(zhu)意(yi)確(que)保(bao)輸(shu)入(ru)頻(pin)率(lv)保(bao)持(chi)在(zai)失(shi)調(tiao)校(xiao)正(zheng)頻(pin)率(lv)的(de)一(yi)半(ban)以(yi)下(xia)（並在閉環帶寬內），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”。盡管係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器件含兩個級聯對稱型RC陷波濾波器，這些濾波器已調諧到斬波頻率和5次諧波。與市場上的其他器件相比，這種布置能夠減小混疊效應，並提供強大的性能。
（三）采用零漂移運算放大器設計的注意事項
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，這是需要了解和緩解的現象。
jianqinghundiedeguanjianshizhidaoyunsuanfangdaqideshizhongpinlv。zaixuduoqingkuangxia，zhizaoshangbuhuifabuxinxi，yincixuyaojinxingshiyanyituiduan。zuijiandanhezuiyouxiaodeyigefangfashijiandandeshiyuceshi，tongshishiyongshiboqijianshishuchu。helidijiashepinlvzaiqijiandezengyidaikuanjizhinei，zefangdaqishuruyingconglingpinlvsaomiaodaozengyidaikuanji。ceshibiaoming，shizhongpinlvtongchangshizengyidaikuanjidesanfenzhiyi，danbingfeizongshiruci。
weiconglingpiaoyifangdaqihuodezuijiaxingneng，shejirenyuanyingzunxunnaikuisitecaiyanglilun，bingquebaozuidaxinhaopinlvxiaoyuneibushizhongpinlvdeyiban。danjingmimonidianluduicongzasanxinhao、噪聲或紋波中拾取敏感，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(hao)的(de)做(zuo)法(fa)是(shi)在(zai)放(fang)大(da)器(qi)之(zhi)前(qian)加(jia)入(ru)一(yi)個(ge)模(mo)擬(ni)低(di)通(tong)濾(lv)波(bo)器(qi)，以(yi)用(yong)作(zuo)抗(kang)混(hun)疊(die)濾(lv)波(bo)器(qi)。濾(lv)波(bo)器(qi)衰(shuai)減(jian)高(gao)於(yu)奈(nai)奎(kui)斯(si)特(te)頻(pin)率(lv)的(de)頻(pin)率(lv)以(yi)減(jian)少(shao)或(huo)消(xiao)除(chu)任(ren)何(he)混(hun)疊(die)。該(gai)濾(lv)波(bo)器(qi)必(bi)須(xu)是(shi)純(chun)模(mo)擬(ni)的(de)並(bing)且(qie)沒(mei)有(you)有(you)源(yuan)元(yuan)件(jian)。在(zai)許(xu)多(duo)情(qing)況(kuang)下(xia)，隻(zhi)需(xu)要(yao)一(yi)個(ge)簡(jian)單(dan)的(de)兩(liang)段(duan)級(ji)聯(lian)RC濾波器。
一yi般ban而er言yan，級ji聯lian零ling漂piao移yi放fang大da器qi並bing不bu是shi好hao的de設she計ji實shi踐jian，因yin為wei不bu同tong的de時shi鍾zhong頻pin率lv可ke能neng會hui相xiang互hu作zuo用yong，從cong而er導dao致zhi不bu良liang影ying響xiang，包bao括kuo可ke能neng的de混hun疊die。建jian議yi使shi用yong相xiang對dui較jiao低di值zhi的de輸shu入ru電dian阻zu，因yin為wei斬zhan波bo穩wen定ding電dian路lu會hui產chan生sheng輸shu入ru電dian流liu尖jian峰feng，從cong而er產chan生sheng電dian壓ya，電dian壓ya隨sui後hou被bei放fang大da。如ru前qian所suo述shu，可ke使shi用yong合he適shi的de無wu源yuanRC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采樣。這意味著輸入的大動態步長（或過載）可ke能neng使shi環huan路lu需xu要yao時shi間jian來lai重zhong新xin建jian立li低di輸shu入ru失shi調tiao。但dan通tong過guo使shi用yong更geng高gao的de時shi鍾zhong頻pin率lv，可ke以yi期qi望wang快kuai速su恢hui複fu和he建jian立li，通tong常chang在zai幾ji十shi微wei秒miao之zhi內nei。任ren何he事shi情qing都dou需xu要yao權quan衡heng取qu舍she，在zai這zhe也ye不bu例li外wai，因yin為wei更geng快kuai的de建jian立li速su度du可ke能neng導dao致zhi更geng高gao的de輸shu入ru失shi調tiao。大da多duo數shu零ling漂piao移yi運yun算suan放fang大da器qi都dou優you先xian在zai建jian立li時shi間jian內nei減jian小xiao輸shu入ru失shi調tiao。
由(you)於(yu)在(zai)零(ling)漂(piao)移(yi)運(yun)算(suan)放(fang)大(da)器(qi)內(nei)有(you)相(xiang)當(dang)數(shu)量(liang)的(de)邏(luo)輯(ji)電(dian)路(lu)，啟(qi)動(dong)所(suo)需(xu)的(de)時(shi)間(jian)是(shi)有(you)限(xian)的(de)，在(zai)此(ci)期(qi)間(jian)，輸(shu)出(chu)將(jiang)反(fan)映(ying)未(wei)經(jing)校(xiao)正(zheng)的(de)輸(shu)入(ru)失(shi)調(tiao)電(dian)壓(ya)。在(zai)大(da)多(duo)數(shu)情(qing)況(kuang)下(xia)，這(zhe)不(bu)是(shi)個(ge)問(wen)題(ti)，因(yin)為(wei)影(ying)響(xiang)隻(zhi)發(fa)生(sheng)在(zai)最(zui)初(chu)的(de)幾(ji)個(ge)時(shi)鍾(zhong)周(zhou)期(qi)，而(er)相(xiang)關(guan)的(de)時(shi)間(jian)是(shi)在(zai)整(zheng)個(ge)係(xi)統(tong)的(de)上(shang)電(dian)時(shi)間(jian)內(nei)。
如果設計人員使用仿真工具來開發電路，應意識到SPICE模型不能深入了解零漂移行為，如混疊。典型的SPICE模型能夠模擬設備的線性性能，而不是斬波器的性能，部分原因是這會降低模擬的速度。
（四）小結
shurushitiaodianyashisuoyouyunsuanfangdaqideyigeguanjiancanshu，duiyukanzhongcicanshudeyingyong，kecaiyongzhuanyongdelingpiaoyiyunsuanfangdaqi，shixianzaidichafenshuruqingkuangxiadejingmiyingyong。jiuxiangsuoyoudegongchengfangan，shejirenyuanxuyaoquanhengqusheyihuodezuijiaxingneng。erzhexiezhuanyongqijianshishurupinlvbaochizainaikuisitepinlvyixia，bingtigongyixiejibendewuyuanlvbo，jiqishiyongyudipinchuanganqiyingyong。
圖1：斬波穩定運算放大器的簡化框圖
圖2：自動歸零運算放大器的簡化框圖
(來源:安森美半導體 ，作者:Farhana Sarder)
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