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，精密溫度監測、惠斯通電橋測量和電壓基準緩沖）的理想選擇。

 

圖形和規格差異表明，與連續時間放大器相比，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溫度或增加校準環路，從而會增大系統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。對于在信號鏈的輸入端使用多路復用器來節省布板空間和系統成本的系統，趨穩特別困難。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二極管將變為正向偏置，從而將電流從一個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，從而導致穩定響應延遲。

 

為了縮短放大器的穩定時間，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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