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淺談零漂移放大器的應(yīng)用和工作原理

發(fā)布時(shí)間:2018-06-29 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】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,包括無1/f噪聲,低寬帶噪聲和低失真——簡化了開發(fā)復(fù)雜性并降低了成本。這可以通過兩種方式中的一種來完成;斬波器或自動調(diào)零。本技術(shù)說明將解釋標(biāo)準(zhǔn)的連續(xù)時(shí)間和零漂移放大器之間的差異。

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,包括無1/f噪聲,低寬帶噪聲和低失真——簡化了開發(fā)復(fù)雜性并降低了成本。這可以通過兩種方式中的一種來完成;斬波器或自動調(diào)零。本技術(shù)說明將解釋標(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路徑的早期特別有用,其中高增益配置和連接微伏信號的接口很常見。受益于此技術(shù)的常見應(yīng)用還包括精密應(yīng)變計(jì)和體重秤、電流分流測量、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)性能可通過使用標(biāo)準(zhǔn)的連續(xù)時(shí)間放大器和系統(tǒng)級自動校準(zhǔn)機(jī)制進(jìn)行優(yōu)化。但是,這種額外的自動校準(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;一個(gè)PMOS晶體管對(藍(lán)色)和一個(gè)NMOS晶體管對(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.簡化的PMOS/NMOS差分對
 
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,請參閱零交越放大器:特性和優(yōu)勢)。但是,放大器的失調(diào)會通過其內(nèi)部定期的校準(zhǔn)來糾正,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數(shù)——主要區(qū)別在于第一級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。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)輸入信號兩次,但失調(diào)翻轉(zhuǎn)一次。這使輸入信號保持同相,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)都配置為通過未改變的方式傳遞信號和失調(diào)誤差。實(shí)際上,輸入信號永遠(yuǎn)不會發(fā)生相位變化,始終保持不變。由于來自第一時(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。請注意,零漂移放大器的Vos和dVos/dT要小三個(gè)數(shù)量級。
 
 
自動調(diào)零需要不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),但功能相似。自動調(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1/f 電壓噪聲——這些設(shè)計(jì)因素對通用和精密應(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,請點(diǎn)擊查看德州儀器的參數(shù)搜索工具結(jié)果。
 



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