零漂移精密运算放大器：测量和消除混叠以实现更精确的电流检测 (一)

零漂移精密运算放大器是专为由于差分电压小而要求高输出精度的应用设计的专用运算放大器。它们不仅具有低输入失调电压，还具有高共模抑制比(CMRR)、高电源抑制比(PSRR)、高开环增益和在宽温度及时间范围的低漂移（见表1)。这些特征使其非常适用于诸如低边电流检测和传感器接口、特别是具有非常小的差分信号的应用。

 

 

虽然零漂移运算放大器制造商有时声称这些器件没有混叠效应，但实际上它们可能容易出现混叠，因为这些器件使用采样来最小化输入失调电压。因此，设计人员应测试其运算放大器电路的混叠效应。

 

经证实使用频谱或网络分析器的传统方法检测混叠是不够的，因此建议设计人员使用一种测量技术，将输入扫过一个频率范围，并在示波器上观察运算放大器的输出。本文将这种测试方法应用于不同的运算放大器，以观察不同的零漂移运算放大器在混叠方面的差异。测试的器件包括安森美半导体和竞争对手的自动调零和斩波稳定类型。

 

本文首先阐述了输入失调电压对运算放大器性能的影响，以及零漂移、斩波稳定运算放大器与通用运算放大器在性能上的差异。接下来描述斩波稳定运算放大器的运行，以及当输入信号接近或超过运放偏移校正频率时，这些放大器中发生的采样如何导致混叠。斩波稳定结构并不是实施零漂移运算放大器的唯一方法，并且将斩波稳定结构与另一种称为自动调零的零漂移结构进行了比较。

 

在给出了各种运算放大器的混叠测量后，本文解释了奈奎斯特采样(Nyquistsampling)理论如何确定无混叠的允许输入频率范围，以及如何应用简单的低通滤波器来防止混叠。本文后面的章节阐释了零漂移运算放大器中运放输入失调电压与其他参数如瞬态响应、启动时间、轨对轨运行、低频噪声和输入电流之间的关系。最后，阐释了SPICE模型不能解释像混叠这样的零漂移效应。

 

为何输入失调电压很重要？

 

失调电压是限制能可靠捕获的最小信号的参数之一。这定义了低动态范围级别。

 

输入失调电压是所有运算放大器的关键参数。在数据表中，它通常被称为VOS或VIO。它是IN+和IN-端子之间固有的差分电压，衡量输入对匹配程度。对于理想运算放大器，在闭环系统中VIN+=VIN-。在现实世界中，由于输入失调电压的影响，VIN-不会等于VIN+。

 

尽管有一些硅级设计技术可以用来改进输入对匹配，但是制造工艺是产生输入失调电压的主要因素。半导体材料中的缺陷导致输入引脚之间的内部电压差。制造工艺引起的不同类型的缺陷会产生不同的温度系数。

 

器件间的这差异会导致特定器件的漂移(不同温度下的输入失调电压漂移)高于或低于数据表上的典型值。此外，漂移系数随温度的变化可能是正的，也可能是负的。这使得很难简单地校准应用中的输入失调电压。在某些情况下，减小传统线性运算放大器中的偏移或漂移会导致功耗的损失。

 

输入失调电压乘以增益并加到输出电压中，实质上向输出增加误差因子，如图1所示。这个参数在测量小差分电压时变得至关重要。随着差分电压的减小，由输入失调电压引起的误差增大。

 

 

低失调电压至关重要，因为输入失调电压被噪声增益放大，在输出端产生偏移误差。

 

在图1所示的差分放大电路中，输出电压是信号增益项和噪声增益项之和：

 

 

作为内部运放参数，输入失调电压与噪声增益而不是信号增益相乘。这将导致输出偏移误差。

 

尽量减小这种偏移量的一种精密放大器，利用多种技术来降低输入失调电压。对于零漂移放大器，这特别适用于低频和直流信号。表2比较了常用的通用运算放大器与斩波稳定的零漂移放大器的最大输入偏移量。

 

 

零漂移运算放大器的构成?

 

精密运放能够实现“零漂移”失调电压，随着温度和时间的变化，通过多种技术保持低输入失调电压。放大器可实现这的方法之一是使用一种定期测量输入失调电压并校正输出端偏移量的设计技术。这种结构称为斩波稳定结构。

 

与所有工程解决方案一样，零漂移运算放大器也有其局限性。一个不太明显的原因是斩波稳定放大器的内部电路包含钟控系统。安森美半导体的NCS333[4]和NCS21911[3]中所用的斩波稳定结构的简化框如图2所示。

 

 

虽然有些人可能会认为，这种类型的斩波是一个实时系统，但实践表明，它容易受到经典采样系统的混叠或外差问题的影响。斩波稳定运算放大器的主要伪像发生在信号接近斩波器的时钟频率时。本文使用了混叠这个词，但所含的问题称为外差可能更为恰当。

 

在图2中，下信号路径是斩波器采样输入失调电压的地方，然后用于校正输出偏移量。此偏移校正频率在放大器的总带宽内。由于这种结构使用采样法，所以当输入信号频率保持在相关奈奎斯特(Nyquist)频率以下时，就会表现出最佳性能。

 

这意味着输入信号频率不仅需要在闭环带宽范围内，而且还要在偏移校正频率的一半范围内才能达到最佳性能。这使得斩波器保持高于Nyquist速率的采样频率，消除了混叠的可能性。当信号频率超过Nyquist频率时，可能在输出端发生混叠。由于使用采样系统，故这是所有斩波器和斩波稳定结构的固有限制。

 

 

斩波器稳定的结构得益于具有前馈路径，如图2框图的上信号路径所示，这是一种将增益带宽扩展到采样频率之外的高速信号路径。这不仅有助于保留输入信号的高频分量，而且还能提高低频的环路增益。假设运算放大器的开环增益下降了-20dB/十年。当单位增益带宽增加时，图也向更高增益方向移动。

 

在图3中给出了一个例子，当运算放大器被放入闭环系统时，系统的开环增益增加，提高了系统的闭环精度。这对于低边电流检测和传感器接口应用特别有用，在这些应用中，信号是低频的，差分电压相对较小。

 

 

然而，并不是所有的零漂移放大器都一样。架构的不同实施可能有不同的结果。即使由于采样的限制，安森美半导体的NCS333和NCS21911系列运算放大器与其他制造商的竞争器件相比有最小的混叠，不太容易受到混叠效应的影响。这是因为安森美半导体的专利方案使用两个级联的、对称的、RC陷波滤波器调谐到斩波频率和它的5次谐波，以减少混叠效应。

 

另一种零漂移架构被称为“自归零”。图4所示的自归零架构的框图类似于斩波稳定架构，但实现方式不同。自归零架构有主放大器和稳零放大器。此方法还使用时钟系统。

 

在第一阶段，开关电容保持前一相位在稳零放大器输出的偏移误差。在第二阶段中，利用稳零放大器输出的偏移量来校正主放大器的偏移量。自归零和斩波稳定放大器的结构差异导致噪声性能和混叠灵敏度的差异，这将在后面的章节中讨论。