本文中，我將介紹在設計精密信號鏈時常會遇到的兩個設計難題，并說明如何克服它們。但您首先必須了解這些系統(tǒng)中常用的斬波放大器。

 

什么是斬波放大器？

 

斬波放大器是一種零漂移運算放大器，因具有超低的失調電壓而聞名，這歸功于其內部拓撲結構，無論配置如何，都能在很大程度上減小放大器的失調電壓。因而具有非常低的失調電壓誤差（失調電壓、漂移、共模抑制比 [CMRR]、電源抑制比 [PSRR] 和開環(huán)電壓增益 [Aol]），如圖1所示。此拓撲的另一個好處是，由于放大器將低頻噪聲感知為直流誤差（并因而盡量減少噪聲），因此它具有平坦的1/f或閃爍噪聲。斬波放大器是直流到幾萬赫茲的頻率下要求高精度的應用（例如，精密溫度監(jiān)測、惠斯通電橋測量和電壓基準緩沖）的理想選擇。

 

圖形和規(guī)格差異表明，與連續(xù)時間放大器相比，由于架構的原因，斬波放大器具有低失調電壓誤差和平坦的1/f噪聲曲線。

 

圖1：斬波放大器具有低失調電壓誤差和平坦的1/f噪聲曲線

 

接下來，我們再回到精密信號鏈面臨的難題。

 

難題1：更大限度減小整個溫度范圍內的失調電壓誤差

 

設計精密信號鏈時遇到的其中一大難題是更大限度減小ADC驅動器和基準緩沖器產生的失調電壓誤差。雖然在生產期間執(zhí)行校準可以改善失調電壓、CMRR、PSRR和Aol性能，但失調電壓溫漂的校準很困難而且成本昂貴，需要在生產期間更改系統(tǒng)溫度或增加校準環(huán)路，從而會增大系統(tǒng)尺寸和物料清單計數。得益于斬波放大器固有的低溫漂性能，使用斬波放大器有助于解決此問題，不再需要校準溫漂。

 

但是，下一代斬波放大器有一個新的問題，使這些器件無法實現更好的溫漂。此問題稱為塞貝克效應，它是熱電偶效應的一部分。塞貝克效應是指在溫度梯度間產生電勢，該電勢在自熱放大器運行期間以及環(huán)境溫度下自然產生。對于在信號路徑（從引腳到放大器核心）中使用異種金屬的器件，此梯度會增加。

 

認識到這一局限性并使用不同材料進行廣泛的實驗之后，德州儀器確定了一種材料組合，能夠在-40℃至+125℃的整個溫度范圍內生產OPA2182時，僅產生最高12nV/°C的溫漂。圖2對比了OPA2182與非斬波放大器OPA2140的溫漂。

 

兩個圖形顯示了OPA2182和OPA2140之間的輸入溫漂差異。

 

圖2：OPA2182溫漂與OPA2140激光修整溫漂

 

難題2：縮短信號穩(wěn)定時間

 

在設計精密信號鏈時的另一個難題是如何快速而準確地在ADC輸入端使信號趨穩(wěn)。對于在信號鏈的輸入端使用多路復用器來節(jié)省布板空間和系統(tǒng)成本的系統(tǒng)，趨穩(wěn)特別困難。開關輸入產生的問題是，當多路復用器切換通道時，ADC驅動器可能會看到階躍輸入。為了提供保護，許多放大器之間連接有反向并聯(lián)二極管。當遭受階躍響應時，輸入將不再近似相等（與正常運行時相同），并且其中一個反向并聯(lián)二極管將變?yōu)檎蚱茫瑥亩鴮㈦娏鲝囊粋€輸入端引到另一個輸入端。此電流將流經多路復用器和信號源，從而導致穩(wěn)定響應延遲。

 

為了縮短放大器的穩(wěn)定時間，德州儀器為器件增加了支持多路復用器(MUX)的輸入，例如OPA2182。這個已獲專利的結構去掉了反向并聯(lián)二極管，并且由于沒有錯誤電流流過信號源和多路復用器，使放大器能夠更快地建立階躍輸入。圖3對比了支持多路復用器的輸入與經典輸入級。

 

圖中顯示了支持多路復用器的OPA2182與經典輸入級之間的輸出電壓隨時間而產生的差異。

 

圖3：OPA2182的穩(wěn)定時間：支持多路復用器的輸入與經典輸入級

 

盡管在設計精密信號鏈時存在許多難題，但是像OPA2182這樣的斬波放大器可提高溫漂性能，并改進支持多路復用器的輸入，從而幫助簡化設計。

 

 

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