【導讀】一種特殊形式的運算放大器，適用于精密應用，在這些應用中，輸入差分信號非常小，輸入引腳上的任何偏移都可能在輸出端引起嚴重誤差。
零漂移運算放大器
一種特殊形式的運算放大器，適用于精密應用，在這些應用中，輸入差分信號非常小，輸入引腳上的任何偏移都可能在輸出端引起嚴重誤差。
這些專(zhuān)用運算放大器除了具有低輸入失調電壓外，通常還在寬溫度和時(shí)間范圍內具有高共模抑制比（CMRR）、高電源抑制比（PSRR）、高開(kāi)環(huán)增益和較低的漂移。所有這些特性使它們成為精密應用的理想選擇，因為這些器件能夠精確地測量小的差分電壓，并且高開(kāi)環(huán)增益確保良好的閉環(huán)增益精度。它們也不太容易受到外界如電源變化、共模電壓和溫度效應的影響。
零漂移運算放大器特別適合于差分信號較小的精密應用，尤其是低頻應用。這包括物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和工業(yè)4.0應用（工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)IoT）中使用的許多感知方案。
隨著(zhù)在電池供電（或能量采集）應用中趨向使用低功耗、節能傳感器，零漂移運算放大器在許多現代應用中尤其有用，如現在正迅速增長(cháng)的IoT。
（一）輸入偏置電壓
輸入失調電壓是個(gè)重要參數，因為它定義了可以捕獲和放大的最小信號，從而限定了較低的動(dòng)態(tài)范圍。在數據表中，通常將其稱(chēng)為VOS或VIO。它是IN+和IN-端子之間差分電壓的量度，有效地測量了運算放大器輸入對的匹配程度。
在理論上理想的運算放大器中，輸入端子在閉環(huán)系統中將處于相同的電壓電平。但在實(shí)際應用中，總會(huì )有一些輸入失調電壓，不過(guò)很小。這是由于半導體材料的實(shí)際變化導致輸入引腳上的內部電壓升高。這些材料差異還會(huì )導致輸入失調電壓隨溫度變化而產(chǎn)生幅度變化甚至極性變化，使應用中的校準極具挑戰性。
典型的通用運算放大器的輸入失調電壓約為幾毫伏，而專(zhuān)用零漂移運算放大器的輸入失調電壓約為10-25微伏，小兩個(gè)數量級。
（二）零漂移技術(shù)和架構
可采用幾種技術(shù)來(lái)確保在寬廣的溫度和時(shí)間范圍內具有低輸入失調電壓，以產(chǎn)生零漂移運算放大器。實(shí)現此目標的方法之一是定期測量輸入失調電壓，然后施加校正電壓以調整運算放大輸出的偏移量。這種方法被稱(chēng)為“斬波穩定”，因其在前饋部分使用了斬波器。
斬波穩定技術(shù)的主要限制在于斬波器的電路中包含時(shí)鐘系統。因此，零漂移運算放大器易受經(jīng)典采樣系統混疊或外差問(wèn)題的影響。當輸入信號的頻率類(lèi)似于斬波電路的時(shí)鐘頻率時(shí)，這尤為明顯。斬波穩定運算放大器的最佳性能出現在輸入信號頻率保持在相關(guān)奈奎斯特頻率以下時(shí)。設計人員應注意確保輸入頻率保持在失調校正頻率的一半以下（并在閉環(huán)帶寬內），以獲得最佳性能。
創(chuàng )建零漂移架構的另一種方法稱(chēng)為“自動(dòng)歸零”。盡管系統架構最初看起來(lái)類(lèi)似于具有高頻路徑和低頻前饋校正路徑的斬波穩定架構，但實(shí)現方式卻大不相同。
雖然所有斬波穩定和自動(dòng)歸零運算放大器都易受混疊影響，但可以減輕這種影響。例如，安森美半導體的NCS333和NCS21911器件含兩個(gè)級聯(lián)對稱(chēng)型RC陷波濾波器，這些濾波器已調諧到斬波頻率和5次諧波。與市場(chǎng)上的其他器件相比，這種布置能夠減小混疊效應，并提供強大的性能。
（三）采用零漂移運算放大器設計的注意事項
使用零漂移運算放大器的主要設計考慮因素涉及減輕混疊。這現象不應被認為是一種缺陷，這是需要了解和緩解的現象。
減輕混疊的關(guān)鍵是知道運算放大器的時(shí)鐘頻率。在許多情況下，制造商不會(huì )發(fā)布信息，因此需要進(jìn)行實(shí)驗以推斷。最簡(jiǎn)單和最有效的一個(gè)方法是簡(jiǎn)單的時(shí)域測試，同時(shí)使用示波器監視輸出。合理地假設頻率在器件的增益帶寬積之內，則放大器輸入應從零頻率掃描到增益帶寬積。測試表明，時(shí)鐘頻率通常是增益帶寬積的三分之一，但并非總是如此。
為從零漂移放大器獲得最佳性能，設計人員應遵循奈奎斯特采樣理論，并確保最大信號頻率小于內部時(shí)鐘頻率的一半。但精密模擬電路對從雜散信號、噪聲或紋波中拾取敏感，其中任何一個(gè)都可能包含高于奈奎斯特頻率的頻率，這可能會(huì )導致誤差或錯誤的輸出。
好的做法是在放大器之前加入一個(gè)模擬低通濾波器，以用作抗混疊濾波器。濾波器衰減高于奈奎斯特頻率的頻率以減少或消除任何混疊。該濾波器必須是純模擬的并且沒(méi)有有源元件。在許多情況下，只需要一個(gè)簡(jiǎn)單的兩段級聯(lián)RC濾波器。
一般而言，級聯(lián)零漂移放大器并不是好的設計實(shí)踐，因為不同的時(shí)鐘頻率可能會(huì )相互作用，從而導致不良影響，包括可能的混疊。建議使用相對較低值的輸入電阻，因為斬波穩定電路會(huì )產(chǎn)生輸入電流尖峰，從而產(chǎn)生電壓，電壓隨后被放大。如前所述，可使用合適的無(wú)源RC濾波器來(lái)衰減這些尖峰。
設計人員還應意識到，零漂移運算放大器的建立時(shí)間有限，因為斬波電路是基于時(shí)間的采樣。這意味著(zhù)輸入的大動(dòng)態(tài)步長(cháng)（或過(guò)載）可能使環(huán)路需要時(shí)間來(lái)重新建立低輸入失調。但通過(guò)使用更高的時(shí)鐘頻率，可以期望快速恢復和建立，通常在幾十微秒之內。任何事情都需要權衡取舍，在這也不例外，因為更快的建立速度可能導致更高的輸入失調。大多數零漂移運算放大器都優(yōu)先在建立時(shí)間內減小輸入失調。
由于在零漂移運算放大器內有相當數量的邏輯電路，啟動(dòng)所需的時(shí)間是有限的，在此期間，輸出將反映未經(jīng)校正的輸入失調電壓。在大多數情況下，這不是個(gè)問(wèn)題，因為影響只發(fā)生在最初的幾個(gè)時(shí)鐘周期，而相關(guān)的時(shí)間是在整個(gè)系統的上電時(shí)間內。
如果設計人員使用仿真工具來(lái)開(kāi)發(fā)電路，應意識到SPICE模型不能深入了解零漂移行為，如混疊。典型的SPICE模型能夠模擬設備的線(xiàn)性性能，而不是斬波器的性能，部分原因是這會(huì )降低模擬的速度。
（四）小結
輸入失調電壓是所有運算放大器的一個(gè)關(guān)鍵參數，對于看重此參數的應用，可采用專(zhuān)用的零漂移運算放大器，實(shí)現在低差分輸入情況下的精密應用。就像所有的工程方案，設計人員需要權衡取舍以獲得最佳性能。而這些專(zhuān)用器件使輸入頻率保持在奈奎斯特頻率以下，并提供一些基本的無(wú)源濾波，極其適用于低頻傳感器應用。
圖1：斬波穩定運算放大器的簡(jiǎn)化框圖
圖2：自動(dòng)歸零運算放大器的簡(jiǎn)化框圖
(來(lái)源:安森美半導體 ，作者:Farhana Sarder)
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