零漂移运算放大器是您设计的最佳选择吗？

eeDesigner 2024-04-23 1488

描述

零漂移放大器具有所有运算放大器拓扑结构中最低的输入失调电压（Vos）和失调电压漂移。与同类最佳的精密低输入失调电压运算放大器相比，斩波器的失调漂移比传统激光和封装调整精密运算放大器好几十到几百倍。零漂移放大器在低频时也具有平坦的噪声频谱密度曲线，而传统放大器具有1/f噪声区域，噪声会在该区域增加。

电源抑制比、共模抑制比、开环增益和电磁干扰（EMI）抑制比等其它参数在零漂移放大器中都有所改善，因为这些参数表示Vos随电源或共模等电路条件的变化情况。凭借所有这些优势，零漂移器件似乎是精密低频应用的自然选择；然而，你仍然需要考虑一些潜在的权衡和非理想性。

零漂移放大器的第一个也是最重要的考虑因素是与内部Vos校准方法相关的输入偏置电流瞬变。零漂移放大器采用内部信号极性同步翻转的方法，因此Vos在每个校准周期都会改变极性。这种恒定极性翻转将失调转换为平均值为零的交流信号。然后滤除交流失调信号，大幅降低总失调。

校准中的开关过程使用MOSFET开关，开关每次改变状态时都会产生电荷注入。校准频率通常接近运算放大器的单位增益带宽。因此，在接近运算放大器单位增益带宽的频率下会出现瞬态输入电流尖峰。图1显示了偏置电流瞬变与时间的关系。

零漂移

图1图中显示了零漂移放大器的偏置电流瞬变与时间的关系。来源:德州仪器

当零漂移校准产生的电流瞬变流经运算放大器电路中的源阻抗和反馈阻抗时，会转换为Vos。请注意，反馈电阻是Rf和Rg的并联组合。

偏置电流瞬变的转换作用与所有运算放大器上的传统偏置电流相同，只是瞬变是交流信号，而传统偏置电流通常是DC信号。零漂移瞬变产生的交流输入失调电压会产生明显大于器件额定失调的平均DC失调，这实际上消除了我之前讨论的零漂移放大器的出色优势文章.

因此，使用零漂移放大器时，必须保持足够低的源电阻和反馈电阻，以便任何瞬态失调电压与放大器的额定失调相比保持较小。对于不同的放大器，该电阻的具体值会有所不同。

表1列出了常见斩波放大器及其相关的最大源电阻和反馈电阻。如果可以将源电阻和反馈电阻保持在该最大值以下，瞬态失调相对于零漂移运算放大器失调而言将不会很大。

零漂移

表1这里列出了常见的斩波放大器及其相关的最大源电阻和反馈电阻。来源:德州仪器

考虑放大器在图2。这种情况下，总反馈电阻为0.91kω(Rf | | Rg = 10kω| | 1kω= 0.91kω)。本例的源电阻为20kω。因此，在本例中，OPA333、OPA187和OPA186是可接受的选项，因为其他选项会引入明显大于额定Vos的Vos误差。大多数情况下，可以选择满足最大标准的反馈阻抗(Rf || Rg)元件值。

零漂移

图2显示简单运算放大器配置的零漂移放大器选择。来源:德州仪器

选择低值反馈电阻的唯一缺点是功耗过大。然而，源电阻可能与特定的传感器特性相关，并且在选择该元件值时可能没有任何灵活性。如果源阻抗不允许选择斩波放大器，则应选择精密激光器或封装调整放大器。

除了偏置电流瞬变产生的失调以外，瞬变还会成为噪声源，在某些情况下是有害的。在频域中，这种噪声在零漂移校准频率和该频率的谐波处非常明显。对于零漂移运算放大器OPA188，噪声始于650 kHz(参见图3).在时域中，噪声看起来像斩波频率下的尖锐周期性尖峰。可以在放大器输出端用一个简单的阻容(RC)滤波器滤除这种噪声。

零漂移

图3图中显示了零漂移运算放大器的噪声频谱密度。来源:德州仪器

图4显示了具有三种不同滤波器选项的零漂移运算放大器噪声。可以看到，即使带宽相对较宽的低通滤波器也可以将噪声瞬变降至在时域中几乎检测不到的程度。

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图4图中显示了三种不同输出滤波器的时域噪声。来源:德州仪器

关键设计考虑因素

对于要求低Vos和低Vos温度漂移的应用，斩波放大器是绝佳选择。然而，在这些应用中，必须确保源电阻和输入电阻不会将输入偏置电流瞬变转换为输入失调电压。表1列出了许多常见零漂移放大器的最大容许源电阻和反馈电阻。

虽然瞬变也可能是噪声源，但您可以使用一个简单的RC滤波器来最小化零漂移噪声。

Art Kay是德州仪器精密放大器团队的应用工程师.

审核编辑黄宇

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