精密运算放大器直流误差预算分析及特性详解

YJHY 2023-01-03 927

模拟技术

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描述

本指南将详细考察精密信号调理应用中适用放大器的一些相关问题。尽管这些讨论把OP177运算放大器当作了精密双极性放大器的“金标准”，但一些新产品(比如轨到轨输出OP777、OP727以及OP747、OP1177、OP2177和OP4177)都以更小的封装提供不相上下的性能。

2 正文

2.1 精密运算放大器的特性

市场上有开环增益大于100万的精密运算放大器，共模和电源抑制比也达到这一数量级。还有失调电压低于25uV、失调漂移低于0.1uV/°C的双电源运算放大器(如OP177)，然而，单电源精密双极性运算放大器有时还达不到这一性能水平。这是低功耗、低电压应用有时必须面对的权衡考量。但另一方面，现代斩波稳定(自稳零)运算放大器的失调和失调电压漂移无法与噪声区分开来，而且这些器件以单电源供电，同时提供轨到轨输入和输出。它们也有自己的问题。

必须注意的是，直流开环增益、失调电压、电源抑制(PSR)和共模抑制(CMR)并非选择精密放大器时的唯一考虑因素。放大器的交流性能也很重要，即使在“低”频下也是如此。

开环增益、PSR和CMR都具有相对较低的转折频率，因此，可能视为“低”频的频率实际上可能超过这些转折频率，从而使误差超出仅仅依靠直流参数预测的值。例如，如果一个放大器的直流开环增益为1000万，单位增益交越频率为1MHz，则其对应的转折频率为0.1Hz!因此，我们必须在实际信号频率下考虑开环增益。单极点单位增益交越频率fu、信号频率fsig以及开环增益AVOL(fsig)(在信号频率下测得)之间的关系可表示为：

CMR

在上例中，100 kHz下的开环增益为10，10 kHz下则为100000。请注意，恒定增益-带宽积概念只适用于电压反馈(VFB)运算放大器，并不适用于电流反馈(CFB)运算放大器，且很少用在精密应用中。目标频率下开环增益的损失可能带来失真，尤其是在音频频率下。因此，线路频率或谐波下的CMR或PSR损失也可能导致误差。

针对特定信号调理应用选择正确的放大器时，使问题变得更加复杂的是市场上存在大量采用不同工艺(双极性、互补双极性、BiFET、CMOS、BiCMOS)和架构(传统运算放大器、仪表放大器、轨波放大器、隔离放大器等)制成的多种多样的放大器。另外，目前市场上有大量精密放大器可供选择，这些放大器采用单电源电压，由于其信号摆幅、电压输入和输出限制有所下降，结果使设计过程变得更加复杂。目前，失调电压和噪声在输入信号中的意义更加重大。图1总结了精密运算放大器的部分一般属性。

CMR

2.2 精密运算放大器直流误差预算分析

为了对高精度运算放大器电路中的各种误差的大小形成一种概念，图2对OP177F进行了一种简单的室温分析。放大器以反相输入模式连接，其信号增益为100。示意图中同时还展示了数据手册中的关键规格。我们假定输入信号为100 mV满量程，相当于10 V的输出信号。各种误差源均经标准化处理为满量程，均以百万分率(ppm)为单位。注意：百万分(ppm)误差=小数误差× 10^6 = %误差× 10^4。注意，VOS和IOS导致的失调误差以及有限AVOL导致的增益误差可通过系统校准予以消除。然而，因开环增益非线性度引起的误差无法通过校准消除，结果会产生一个相对精度误差，通常称为分辨率误差。分辨率误差的另一个贡献因素是1/f噪声。

该噪声始终都是存在的，会增加测量结果的不确定性。电路在室温下的总体相对精度为9 ppm，相当于~17位分辨率。

CMR

也可以将若干个单电源运算放大器的性能与“金标准”OP177进行比较，下面的图3展示了一些代表性器件的比较结果。

CMR

注意，图3放大器列表并不包括斩波运算放大器。

审核编辑：汤梓红

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