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間范圍內具有高共模抑制比（CMRR）、高電源抑制比（PSRR）、高開環增益和較低的漂移。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，并且高開環增益確保良好的閉環增益精度。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。這包括物聯網（IoT）和工業4.0應用（工業物聯網IoT）中使用的許多感知方案。

隨著在電池供電（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，如現在正迅速增長的IoT。

（一）輸入偏置電壓

輸入失調電壓是個重要參數，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態范圍。在數據表中，通常將其稱為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，輸入端子在閉環系統中將處于相同的電壓電平。但在實際應用中，總會有一些輸入失調電壓，不過很小。這是由于半導體材料的實際變化導致輸入引腳上的內部電壓升高。這些材料差異還會導致輸入失調電壓隨溫度變化而產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，小兩個數量級。

（二）零漂移技術和架構

可采用幾種技術來確保在寬廣的溫度和時間范圍內具有低輸入失調電壓，以產生零漂移運算放大器。實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。這種方法被稱為“斬波穩定”，因其在前饋部分使用了斬波器。

斬波穩定技術的主要限制在于斬波器的電路中包含時鐘系統。因此，零漂移運算放大器易受經典采樣系統混疊或外差問題的影響。當輸入信號的頻率類似于斬波電路的時鐘頻率時，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奈奎斯特頻率以下時。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（并在閉環帶寬內），以獲得最佳性能。

創建零漂移架構的另一種方法稱為“自動歸零”。盡管系統架構最初看起來類似于具有高頻路徑和低頻前饋校正路徑的斬波穩定架構，但實現方式卻大不相同。

雖然所有斬波穩定和自動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器件含兩個級聯對稱型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。

減輕混疊的關鍵是知道運算放大器的時鐘頻率。在許多情況下，制造商不會發布信息，因此需要進行實驗以推斷。最簡單和最有效的一個方法是簡單的時域測試，同時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，其中任何一個都可能包含高于奈奎斯特頻率的頻率，這可能會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有有源元件。在許多情況下，只需要一個簡單的兩段級聯RC濾波器。

一般而言，級聯零漂移放大器并不是好的設計實踐，因為不同的時鐘頻率可能會相互作用，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產生輸入電流尖峰，從而產生電壓，電壓隨后被放大。如前所述，可使用合適的無源RC濾波器來衰減這些尖峰。

設計人員還應意識到，零漂移運算放大器的建立時間有限，因為斬波電路是基于時間的采樣。這意味著輸入的大動態步長（或過載）可能使環路需要時間來重新建立低輸入失調。但通過使用更高的時鐘頻率，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先在建立時間內減小輸入失調。

由于在零漂移運算放大器內有相當數量的邏輯電路，啟動所需的時間是有限的，在此期間，輸出將反映未經校正的輸入失調電壓。在大多數情況下，這不是個問題，因為影響只發生在最初的幾個時鐘周期，而相關的時間是在整個系統的上電時間內。

如果設計人員使用仿真工具來開發電路，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性性能，而不是斬波器的性能，部分原因是這會降低模擬的速度。
（四）小結

輸入失調電壓是所有運算放大器的一個關鍵參數，對于看重此參數的應用，可采用專用的零漂移運算放大器，實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化框圖

圖2：自動歸零運算放大器的簡化框圖