解析精密信號鏈設(shè)計的斬波放大器

本文中，我將介紹在設(shè)計精密信號鏈時常會遇到的兩個設(shè)計難題，并說明如何克服它們。但您首先必須了解這些系統(tǒng)中常用的斬波放大器。

什么是斬波放大器？

斬波放大器是一種零漂移運(yùn)算放大器，因具有超低的失調(diào)電壓而聞名，這歸功于其內(nèi)部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，無論配置如何，都能在很大程度上減小放大器的失調(diào)電壓。因而具有非常低的失調(diào)電壓誤差（失調(diào)電壓、漂移、共模抑制比 [CMRR]、電源抑制比 [PSRR] 和開環(huán)電壓增益 [Aol]），如圖1所示。此拓?fù)涞牧硪粋€好處是，由于放大器將低頻噪聲感知為直流誤差（并因而盡量減少噪聲），因此它具有平坦的1/f或閃爍噪聲。斬波放大器是直流到幾萬赫茲的頻率下要求高精度的應(yīng)用（例如，精密溫度監(jiān)測、惠斯通電橋測量和電壓基準(zhǔn)緩沖）的理想選擇。

圖形和規(guī)格差異表明，與連續(xù)時間放大器相比，由于架構(gòu)的原因，斬波放大器具有低失調(diào)電壓誤差和平坦的1/f噪聲曲線。

圖1：斬波放大器具有低失調(diào)電壓誤差和平坦的1/f噪聲曲線

接下來，我們再回到精密信號鏈面臨的難題。

難題1：更大限度減小整個溫度范圍內(nèi)的失調(diào)電壓誤差

設(shè)計精密信號鏈時遇到的其中一大難題是更大限度減小ADC驅(qū)動器和基準(zhǔn)緩沖器產(chǎn)生的失調(diào)電壓誤差。雖然在生產(chǎn)期間執(zhí)行校準(zhǔn)可以改善失調(diào)電壓、CMRR、PSRR和Aol性能，但失調(diào)電壓溫漂的校準(zhǔn)很困難而且成本昂貴，需要在生產(chǎn)期間更改系統(tǒng)溫度或增加校準(zhǔn)環(huán)路，從而會增大系統(tǒng)尺寸和物料清單計數(shù)。得益于斬波放大器固有的低溫漂性能，使用斬波放大器有助于解決此問題，不再需要校準(zhǔn)溫漂。

但是，下一代斬波放大器有一個新的問題，使這些器件無法實現(xiàn)更好的溫漂。此問題稱為塞貝克效應(yīng)，它是熱電偶效應(yīng)的一部分。塞貝克效應(yīng)是指在溫度梯度間產(chǎn)生電勢，該電勢在自熱放大器運(yùn)行期間以及環(huán)境溫度下自然產(chǎn)生。對于在信號路徑（從引腳到放大器核心）中使用異種金屬的器件，此梯度會增加。

認(rèn)識到這一局限性并使用不同材料進(jìn)行廣泛的實驗之后，德州儀器確定了一種材料組合，能夠在-40℃至+125℃的整個溫度范圍內(nèi)生產(chǎn)OPA2182時，僅產(chǎn)生最高12nV/°C的溫漂。圖2對比了OPA2182與非斬波放大器OPA2140的溫漂。

兩個圖形顯示了OPA2182和OPA2140之間的輸入溫漂差異。

圖2：OPA2182溫漂與OPA2140激光修整溫漂

難題2：縮短信號穩(wěn)定時間

在設(shè)計精密信號鏈時的另一個難題是如何快速而準(zhǔn)確地在ADC輸入端使信號趨穩(wěn)。對于在信號鏈的輸入端使用多路復(fù)用器來節(jié)省布板空間和系統(tǒng)成本的系統(tǒng)，趨穩(wěn)特別困難。開關(guān)輸入產(chǎn)生的問題是，當(dāng)多路復(fù)用器切換通道時，ADC驅(qū)動器可能會看到階躍輸入。為了提供保護(hù)，許多放大器之間連接有反向并聯(lián)二極管。當(dāng)遭受階躍響應(yīng)時，輸入將不再近似相等（與正常運(yùn)行時相同），并且其中一個反向并聯(lián)二極管將變?yōu)檎蚱?，從而?a href="http://www.ttokpm.com/tags/電流/" target="_blank">電流從一個輸入端引到另一個輸入端。此電流將流經(jīng)多路復(fù)用器和信號源，從而導(dǎo)致穩(wěn)定響應(yīng)延遲。

為了縮短放大器的穩(wěn)定時間，德州儀器為器件增加了支持多路復(fù)用器(MUX)的輸入，例如OPA2182。這個已獲專利的結(jié)構(gòu)去掉了反向并聯(lián)二極管，并且由于沒有錯誤電流流過信號源和多路復(fù)用器，使放大器能夠更快地建立階躍輸入。圖3對比了支持多路復(fù)用器的輸入與經(jīng)典輸入級。

圖中顯示了支持多路復(fù)用器的OPA2182與經(jīng)典輸入級之間的輸出電壓隨時間而產(chǎn)生的差異。

圖3：OPA2182的穩(wěn)定時間：支持多路復(fù)用器的輸入與經(jīng)典輸入級

盡管在設(shè)計精密信號鏈時存在許多難題，但是像OPA2182這樣的斬波放大器可提高溫漂性能，并改進(jìn)支持多路復(fù)用器的輸入，從而幫助簡化設(shè)計。
編輯：hfy