零漂移精密運算放大器是專為由于差分電壓小而要求高輸出精度的應(yīng)用設(shè)計的專用運算放大器。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)、高開環(huán)增益和在寬溫度及時間范圍的低漂移（見表1）。這些特征使其非常適用于諸如低邊電流檢測和傳感器接口、特別是具有非常小的差分信號的應(yīng)用。

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

雖然零漂移運算放大器制造商有時聲稱這些器件沒有混疊效應(yīng)，但實際上它們可能容易出現(xiàn)混疊，因為這些器件使用采樣來最小化輸入失調(diào)電壓。因此，設(shè)計人員應(yīng)測試其運算放大器電路的混疊效應(yīng)。

經(jīng)證實使用頻譜或網(wǎng)絡(luò)分析器的傳統(tǒng)方法檢測混疊是不夠的，因此建議設(shè)計人員使用一種測量技術(shù)，將輸入掃過一個頻率范圍，并在示波器上觀察運算放大器的輸出。本文將這種測試方法應(yīng)用于不同的運算放大器，以觀察不同的零漂移運算放大器在混疊方面的差異。測試的器件包括安森美半導(dǎo)體和競爭對手的自動調(diào)零和斬波穩(wěn)定類型。

本文首先闡述了輸入失調(diào)電壓對運算放大器性能的影響，以及零漂移、斬波穩(wěn)定運算放大器與通用運算放大器在性能上的差異。接下來描述斬波穩(wěn)定運算放大器的運行，以及當(dāng)輸入信號接近或超過運放偏移校正頻率時，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)并不是實施零漂移運算放大器的唯一方法，并且將斬波穩(wěn)定結(jié)構(gòu)與另一種稱為自動調(diào)零的零漂移結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較。

在給出了各種運算放大器的混疊測量后，本文解釋了奈奎斯特采樣(Nyquist sampling)理論如何確定無混疊的允許輸入頻率范圍，以及如何應(yīng)用簡單的低通濾波器來防止混疊。本文后面的章節(jié)闡釋了零漂移運算放大器中運放輸入失調(diào)電壓與其他參數(shù)如瞬態(tài)響應(yīng)、啟動時間、軌對軌運行、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的參數(shù)之一。這定義了低動態(tài)范圍級別。

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

盡管有一些硅級設(shè)計技術(shù)可以用來改進(jìn)輸入對匹配，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型的缺陷會產(chǎn)生不同的溫度系數(shù)。

器件間的這差異會導(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)線性運算放大器中的偏移或漂移會導(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，實質(zhì)上向輸出增加誤差因子，如圖1所示。這個參數(shù)在測量小差分電壓時變得至關(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算放大器的電流檢測。