零漂移放大器：特性和優勢
前言：
作者：德州儀器 Errol Leon, Richard Barthel, Tamara Alani
引言
零漂移放大器采用獨特的自校正技術，可提供適用于通用和精密應用的超低輸入失調電壓（Vos）和接近零的隨時間和溫度輸入失調電壓漂移（dVos/dT）。TI的零漂移拓撲結構還提供了其他優勢，包括無1/f噪聲,低寬帶噪聲和低失真——簡化了開發復雜性并降低了成本。這可以通過兩種方式中的一種來完成；斬波器或自動調零。本技術說明將解釋標準的連續時間和零漂移放大器之間的差異。
適用零漂移放大器的應用
零漂移放大器適用于各種通用和精密應用，使其從信號路徑的穩定性中受益。這些放大器出色的失調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。受益于此技術的常見應用還包括精密應變計和體重秤、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
系統性能可通過使用標準的連續時間放大器和系統級自動校準機制進行優化。但是，這種額外的自動校準需要復雜的硬件和軟件，從而增加了開發的時間、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。
傳統的軌到軌輸入CMOS架構具有兩個差分對；一個PMOS晶體管對（藍色）和一個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p溝道（藍色）和n溝道（紅色）輸入配置。
圖1.簡化的PMOS/NMOS差分對
這種輸入架構的結果表現出一定程度的交越失真（有關交越失真的更多信息，請參閱零交越放大器：特性和優勢）。但是，放大器的失調會通過其內部定期的校準來糾正，所以失調變化的幅度和交越失真大大減小。圖2顯示了標準CMOS軌到軌和零漂移放大器之間的失調的比較。
圖2.CMOS和零漂移輸入失調電壓比較
零漂移如何工作
斬波零漂移放大器的內部結構可以具有與連續時間放大器一樣多的級數——主要區別在于第一級的輸入和輸出具有一組開關，用于在每個校準周期內反轉輸入信號。圖3顯示了前半個周期。在前半周期，兩組開關都配置為翻轉輸入信號兩次，但失調翻轉一次。這使輸入信號保持同相，但失調誤差極性相反。
圖3.內部結構的前半個周期
圖4顯示了后半個周期。在這里，兩組開關都配置為通過未改變的方式傳遞信號和失調誤差。實際上，輸入信號永遠不會發生相位變化，始終保持不變。由于來自第一時鐘相位和第二時鐘相位的失調誤差極性相反，因此誤差被平均為零。
圖4.內部結構的后半個周期
在相同的開關頻率下使用同步陷波濾波器來衰減任何殘留誤差。這個原理在整個放大器的輸入、輸出和環境操作過程中依然有效。從本質上講，TI的零漂移技術憑借這種自我修正機制提供超高性能和卓越的精度。
表1顯示了連續時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要小三個數量級。
自動調零需要不同的拓撲結構，但功能相似。自動調零技術在輸出端失真較少。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用有害。零漂移技術使用周期性自我校正機制有效地抵消緩慢變化的失調誤差（如溫漂和低頻噪聲）。
圖5顯示了零漂移（紅色）和連續時間（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電壓，接近零的隨溫度和時間輸入失調電壓漂移，并且無1/f 電壓噪聲——這些設計因素對通用和精密應用至關重要。
零漂移放大器可提供超低輸入失調電壓，接近零的隨溫度和時間輸入失調電壓漂移，并且無1/f 電壓噪聲——這些設計因素對通用和精密應用至關重要。
其它資源
下面的表2重點介紹了TI的一些零漂移放大器。有關完整列表，請點擊查看德州儀器的參數搜索工具結果。
下面的表2重點介紹了TI的一些零漂移放大器。有關完整列表，請點擊查看德州儀器的參數搜索工具結果。
表2.TI零漂移放大器
|
設備 |
優化的參數 |
|
零交越, Vos(max): 5μV, dVos/dT(max): 0.05μV/°C, GBW: 10MHz, 噪聲: 7nV/√Hz, RRIO |
|
|
Vos(max): 10μV, dVos/dT(max): 0.05μV/°C, IQ(max): 25μA/Ch, 1.8V<Vs<5.5V, RRIO |
|
|
Vos(max): 25μV, dVos/dT(max): 0.085μV/°C , GBW: 2MHz, 4V<Vs<36V, 噪聲: 8.8nV/√Hz, RRO |
|
|
Vos(typ): 20μV, dVos/dT(typ): 0.05μV/°C , IQ(max): 35μA/Ch, 1.8V<Vs<5.5V, RRIO |
|
|
Vos(max): 5μV, dVos/dT(max): 0.05μV/°C, RRO |
表3.相關技術說明
|
零交越放大器：特性和優勢 |
