零漂移精密運(yùn)算放大器是專(zhuān)為由于差分電壓小而要求高輸出精度的應(yīng)用設(shè)計(jì)的專(zhuān)用運(yùn)算放大器。它們不僅具有低輸入失調(diào)電壓，還具有高共模抑制比(CMRR)、高電源抑制比(PSRR)、高開(kāi)環(huán)增益和在寬溫度及時(shí)間范圍的低漂移（見(jiàn)表1）。這些特征使其非常適用于諸如低邊電流檢測(cè)和傳感器接口、特別是具有非常小的差分信號(hào)的應(yīng)用。

表1. 影響運(yùn)算放大器準(zhǔn)確度和精密度的關(guān)鍵參數(shù)。

雖然零漂移運(yùn)算放大器制造商有時(shí)聲稱(chēng)這些器件沒(méi)有混疊效應(yīng)，但實(shí)際上它們可能容易出現(xiàn)混疊，因?yàn)檫@些器件使用采樣來(lái)最小化輸入失調(diào)電壓。因此，設(shè)計(jì)人員應(yīng)測(cè)試其運(yùn)算放大器電路的混疊效應(yīng)。

經(jīng)證實(shí)使用頻譜或網(wǎng)絡(luò)分析器的傳統(tǒng)方法檢測(cè)混疊是不夠的，因此建議設(shè)計(jì)人員使用一種測(cè)量技術(shù)，將輸入掃過(guò)一個(gè)頻率范圍，并在示波器上觀察運(yùn)算放大器的輸出。本文將這種測(cè)試方法應(yīng)用于不同的運(yùn)算放大器，以觀察不同的零漂移運(yùn)算放大器在混疊方面的差異。測(cè)試的器件包括安森美半導(dǎo)體和競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的自動(dòng)調(diào)零和斬波穩(wěn)定類(lèi)型。

本文首先闡述了輸入失調(diào)電壓對(duì)運(yùn)算放大器性能的影響，以及零漂移、斬波穩(wěn)定運(yùn)算放大器與通用運(yùn)算放大器在性能上的差異。接下來(lái)描述斬波穩(wěn)定運(yùn)算放大器的運(yùn)行，以及當(dāng)輸入信號(hào)接近或超過(guò)運(yùn)放偏移校正頻率時(shí)，這些放大器中發(fā)生的采樣如何導(dǎo)致混疊。斬波穩(wěn)定結(jié)構(gòu)并不是實(shí)施零漂移運(yùn)算放大器的唯一方法，并且將斬波穩(wěn)定結(jié)構(gòu)與另一種稱(chēng)為自動(dòng)調(diào)零的零漂移結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較。

在給出了各種運(yùn)算放大器的混疊測(cè)量后，本文解釋了奈奎斯特采樣(Nyquist sampling)理論如何確定無(wú)混疊的允許輸入頻率范圍，以及如何應(yīng)用簡(jiǎn)單的低通濾波器來(lái)防止混疊。本文后面的章節(jié)闡釋了零漂移運(yùn)算放大器中運(yùn)放輸入失調(diào)電壓與其他參數(shù)如瞬態(tài)響應(yīng)、啟動(dòng)時(shí)間、軌對(duì)軌運(yùn)行、低頻噪聲和輸入電流之間的關(guān)系。最后，闡釋了SPICE模型不能解釋像混疊這樣的零漂移效應(yīng)。

為何輸入失調(diào)電壓很重要？

失調(diào)電壓是限制能可靠捕獲的最小信號(hào)的參數(shù)之一。這定義了低動(dòng)態(tài)范圍級(jí)別。

輸入失調(diào)電壓是所有運(yùn)算放大器的關(guān)鍵參數(shù)。在數(shù)據(jù)表中，它通常被稱(chēng)為VOS或VIO。它是IN+和IN-端子之間固有的差分電壓，衡量輸入對(duì)匹配程度。對(duì)于理想運(yùn)算放大器，在閉環(huán)系統(tǒng)中VIN+ = VIN-。在現(xiàn)實(shí)世界中，由于輸入失調(diào)電壓的影響，VIN-不會(huì)等于VIN+。

盡管有一些硅級(jí)設(shè)計(jì)技術(shù)可以用來(lái)改進(jìn)輸入對(duì)匹配，但是制造工藝是產(chǎn)生輸入失調(diào)電壓的主要因素。半導(dǎo)體材料中的缺陷導(dǎo)致輸入引腳之間的內(nèi)部電壓差。制造工藝引起的不同類(lèi)型的缺陷會(huì)產(chǎn)生不同的溫度系數(shù)。

器件間的這差異會(huì)導(dǎo)致特定器件的漂移(不同溫度下的輸入失調(diào)電壓漂移)高于或低于數(shù)據(jù)表上的典型值。此外，漂移系數(shù)隨溫度的變化可能是正的，也可能是負(fù)的。這使得很難簡(jiǎn)單地校準(zhǔn)應(yīng)用中的輸入失調(diào)電壓。在某些情況下，減小傳統(tǒng)線性運(yùn)算放大器中的偏移或漂移會(huì)導(dǎo)致功耗的損失。

輸入失調(diào)電壓乘以增益并加到輸出電壓中，實(shí)質(zhì)上向輸出增加誤差因子，如圖1所示。這個(gè)參數(shù)在測(cè)量小差分電壓時(shí)變得至關(guān)重要。隨著差分電壓的減小，由輸入失調(diào)電壓引起的誤差增大。

Closed Loop Gain：閉環(huán)增益

Noise Gain：噪聲增益

Error due to Vcc：由Vcc引起的誤差

圖1. 差分放大器配置中帶有運(yùn)算放大器的電流檢測(cè)。