零漂移運算放大器是您設計的最佳選擇嗎？

零漂移放大器具有所有運算放大器拓撲結構中最低的輸入失調電壓（Vos）和失調電壓漂移。與同類最佳的精密低輸入失調電壓運算放大器相比，斬波器的失調漂移比傳統(tǒng)激光和封裝調整精密運算放大器好幾十到幾百倍。零漂移放大器在低頻時也具有平坦的噪聲頻譜密度曲線，而傳統(tǒng)放大器具有1/f噪聲區(qū)域，噪聲會在該區(qū)域增加。

電源抑制比、共模抑制比、開環(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，因為這些參數(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，零漂移器件似乎是精密低頻應用的自然選擇；然而，你仍然需要考慮一些潛在的權衡和非理想性。

零漂移放大器的第一個也是最重要的考慮因素是與內部Vos校準方法相關的輸入偏置電流瞬變。零漂移放大器采用內部信號極性同步翻轉的方法，因此Vos在每個校準周期都會改變極性。這種恒定極性翻轉將失調轉換為平均值為零的交流信號。然后濾除交流失調信號，大幅降低總失調。

校準中的開關過程使用MOSFET開關，開關每次改變狀態(tài)時都會產(chǎn)生電荷注入。校準頻率通常接近運算放大器的單位增益帶寬。因此，在接近運算放大器單位增益帶寬的頻率下會出現(xiàn)瞬態(tài)輸入電流尖峰。圖1顯示了偏置電流瞬變與時間的關系。

圖1圖中顯示了零漂移放大器的偏置電流瞬變與時間的關系。來源:德州儀器

當零漂移校準產(chǎn)生的電流瞬變流經(jīng)運算放大器電路中的源阻抗和反饋阻抗時，會轉換為Vos。請注意，反饋電阻是Rf和Rg的并聯(lián)組合。

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

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

表1列出了常見斬波放大器及其相關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)失調相對于零漂移運算放大器失調而言將不會很大。

表1這里列出了常見的斬波放大器及其相關的最大源電阻和反饋電阻。來源: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，因為其他選項會引入明顯大于額定Vos的Vos誤差。大多數(shù)情況下，可以選擇滿足最大標準的反饋阻抗(Rf || Rg)元件值。

圖2顯示簡單運算放大器配置的零漂移放大器選擇。來源:德州儀器

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

除了偏置電流瞬變產(chǎn)生的失調以外，瞬變還會成為噪聲源，在某些情況下是有害的。在頻域中，這種噪聲在零漂移校準頻率和該頻率的諧波處非常明顯。對于零漂移運算放大器OPA188，噪聲始于650 kHz(參見圖3).在時域中，噪聲看起來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€簡單的阻容(RC)濾波器濾除這種噪聲。

圖3圖中顯示了零漂移運算放大器的噪聲頻譜密度。來源:德州儀器

圖4顯示了具有三種不同濾波器選項的零漂移運算放大器噪聲?？梢钥吹?，即使帶寬相對較寬的低通濾波器也可以將噪聲瞬變降至在時域中幾乎檢測不到的程度。

圖4圖中顯示了三種不同輸出濾波器的時域噪聲。來源:德州儀器

關鍵設計考慮因素

對于要求低Vos和低Vos溫度漂移的應用，斬波放大器是絕佳選擇。然而，在這些應用中，必須確保源電阻和輸入電阻不會將輸入偏置電流瞬變轉換為輸入失調電壓。表1列出了許多常見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，但您可以使用一個簡單的RC濾波器來最小化零漂移噪聲。

Art Kay是德州儀器精密放大器團隊的應用工程師.

審核編輯 黃宇