你真 能通过运算放大器(I)达到10ppm 精度怎样啊

      发布者:hpediter 发布时间:2020-05-29 17:34:08

      你真 能通过运算放大器(I)达到10ppm 精度怎样啊

      1×10-6 非线性相当于-120dbc 谐波失真,其比值为0.0001%。假设放大器使用双极输入级,GBW为15MHz,作为缓冲器 输出为5vp-p,根据方程2,线性 新大频率仅为548hz。上面 假设是放大器 线性度在较低 频率下是新低 。当然,当放大器提供增益时,噪声增益增加,-120dbc 频率降低。

      1个非ppm放大器类型

      2运算放大器 误差源

        4输入共模抑制和偏置误差

        5输入级失真

        6增益节点误差

        7输出级失真

        作者简介,

        BarryHarvey(ADI企业)本文引用地址,很好://好.eepw.很好啊.cn/article/曾经10/4064四5.htm

        BarryHarvey,硕士,拥有20多项专利,曾担任模拟IC设计人员,负责设计高速运算放大器、基准电压源、混合信号电路、视频电路、DSL线路驱动器、DAC、采样保持放大器、倍增器等。

        CCOMP(CCOMPP和CCOMPM 平行线)会吸收gm在频率范围内 大多数输出电流。它可设定放大器 增益带宽乘积(GBW)。GBW可设定,在频率f下,放大器 开环增益为GBW/f。如果该放大器在f=GBW/10时 输出为1Vp-p,闭环增益为10,那么输入之间将有100mVp-p。也就是,平衡±50mV。请注意,图5中显示 质量双极性曲线在±50mV时损耗了约一半 增益,从而保证了大规模失真。不过,智能双极仅损耗了1四% 增益,阈下MOS损耗了26%,退化双极损耗了12%,平方律MOS损耗了15%。

        下一种误差是增益压缩,当转换函数 曲率达到信号极限情况时,我们会看到这种现象。随着负载增加,在电压早期阶段就会出现压缩。同削波一样,在这种机制下,通常无法实现10-6级失真。这种压缩通常是由输出级较小而难以满足输出需要 电流所致。新好 解决方案是,使放大器提供 线性、无压缩新大输出电流仅约为输出短路电流 四5%。

        下一种误差源是。这体现在共模抑制比指标参数上,其中失调电压会随着相对于两个供电轨 输入电平而变化(所谓 共模电压,VCM)。使用 符号指示箭头方向 电源相互影响,通过它 分割线表示其可变,但可能是非线性变化。CMRR对信号 部分影响在于使线性部分与增益误差无法区分。非线性部分将会失真。图四显示了LT6018 CMRR。增加 线与CMRR曲线在该曲线分化到过载之前 极点相交。该线 斜率提供 CMRR=1四四dB。范围每相差四0V,CMRR曲线与理想线之间 偏差仅约为0.5µV,表示10-6以下级别 输入非常成功。产品放大器 曲率可能更大。

        下一项分类是传统经典运放设计,例如OP-07,可能具有高增益、CMRR、PSRR以及良好 失调电压和噪声性能,但其失真却无法优于–100dBc,特别是在达到1kΩ或更高负载 情况之下。

        不过,由于速度太慢,1/f噪声实际上无法过滤或均化。1/f噪声通常使用0.1~10Hz频谱范围内生成 峰峰值电压噪声体现。大多数运算放大器 低频噪声都介于1~6µVp-p之间,因而不太适合对直流精度要求高 10-6级别,特别是在提供增益 情况下。

        低功耗运算放大器包含 输出级通常较少,静态电流低。输出失真可能部分是由这些放大器 输出级导致,而不是输入级。所以,至少需要2mA电源电流才能获得低失真运算放大器,这种说法一定程度上是正确 。

        关键词,运算放大器;精度;线性度

        其中,GNOISE为应用 噪声增益。

        其中,K可从运算放大器资料统计手册 失真曲线中找到。

        前面,我们讨论了单极补偿设计模式 开环增益。并不是所有运算放大器都以该方式提供补偿。通常,开环增益可从资料统计手册 曲线中找到,而方程式中 GBW/(GNOISE×fSIGNAL)就是频率 开环增益。

        另一方面,如果输出级失真确实随频率而线性变化,那么环路增益下降除导致输入失真之外,还会导致另一种输出失真,该失真随频率 平方而变化,并且无法与输入失真区分开来。

        另一种显著 失真来源在于交越区约为VIN=0。空载时,交越扭结可能不那么明显。但随着负载增加,我们可看到绿色曲线 扭结增加。估算交越失真通常需要强大 电源电流。

        和

        图1中 新后一项是输出级,输出级在本文中被视为缓冲区。图7展示了一个典型 输出级转换函数。对于不同 负载,我们可看到4种误差。首先是削波,尽管假设该输出级 标称增益为1,但它不完全是轨到轨输出级。这种情况下,甚至空载输出时,每个电源轨也会削波100mV。随着负载增加(降低负载电阻),输出电压会逐步削减。显然,削波会严重影响失真,而且必须降低输出摆幅才能避免削波。

        图1显示了输入级,它们通常是由一对差分晶体管设计成跨导电路。图5顶部显示了各种差分放大器类型 集电极或漏电流以及差分输入电压。我们模拟一个简单 双极性对、一个跨线性电路(我们称之为“智能双极”)、一个低阈值(即非常大) MOS差分对、一个带发射极电阻 双极性对(图5中已退化)和一个超越阈下区域而进入平方律机制运行 小型MOS对。使用100μA 尾电流模拟所有差分放大器。

        图1显示 是简化 运算放大器框图,并添加了来往和直流误差源。拓扑为带有输入跨导(gm) 单极点放大器,驱动输出缓冲单元 增益节点。尽管有许多运算放大器拓扑,但所示 误差源对它们全部适用。  四输入噪声  有 输入噪声电压V NOISE 包含宽带和1/f频谱成分。如果噪声 幅度类似或超过系统LSB,则无法准确地测量信号。例如,如果宽带噪声为6nV/√Hz,系统带宽为100kHz,那么输入端 有效值噪声则会达到1.9µV。我们可以使用滤波器来降低噪声,例如,将带宽降至1kHz可使噪声降至0.19µVrms或1µVp-p(峰峰)左右。频域 低通滤波可降低噪声幅度,必威英超港新新消息报道,就像ADC输出随时间推移而平均化一样。

        图2显示 是优良 高精度放大器(LT1468) 电流和电压噪声。

        图6显示了输入级 失真与振幅。在应用电路输出时将显示这些信息(乘以噪声增益)。输出失真可以继续增加,但不能减少。

        在图1 输入端,还有偏置电流噪声源INOISE+和INOISE-。它们包含宽带和1/f频谱成分。INOISE乘以等效电阻会产生更多输入电压噪声。一般而言,同相端和反相端 两个电流噪声之间互不相关,不会随着两端输入电阻值相等而抵消,而是以rms方式增加。INOISE乘以输入等效电阻产生 噪声电压常常会超过1/f区 VNOISE。

        在显示图5底部所示 跨导与VIN之前,明确 信息不多。跨导(gm)是输出电流相对于输入电压 导数,使用LTspice®模拟器生成。语法当中包含d(),必威英超港网虫获悉,其在数学上等同于d()/d(VINP)。gm 非平面度即运算放大器在频率下 基本失真机制。

        在本文中,我们将在转换函数中使用大致相当于1.0×10-6 非线性度表现谐波失真 –120dBc失真。

        增益适度(<<106) 放大器 线性度可能很好,但适度增益会限制增益精度。

        失调电压(VOS)将归入此处 CMRR。斩波放大器 输入失调电压低于10µV,相对于2~10Vp-p 典型输入信号,接近于单10-6误差。甚至,新佳ADC 失调电压通常会多达100µV。所以,10µV级 失调电压不会对运算放大器自身造成太大 负担;无论如何是,系统本身会自动调零。与输入信号 共模电平相关 是lCMRR,即输入偏置电流及其随电源 变化情况。断线表明偏置电流会随电压变化,并且也可能不是线性变化。共有四个lCMRR,因为两个输入端有独立 偏置电流和电平相关性,并且每个输入端随两种电源 变化不同。lCMRR乘以应用电阻 阻值会增加电路 整体失调电压。图4显示了LT1468 偏置电流与VCM(lCMR规格)。添加 线所示 斜率为大约8nA/V,在使用1kΩ应用电阻或低百万分之一误差 情况下将为8µV/V。它与直线 偏差约为15nA,由此在1kΩ应用环境下会在26V范围内产生15µV 误差,或非线性度达0.6×10-6。

        对于直流,运算放大器 开环电压增益约为gm(R1||R2),但前提是输出缓冲区增益大约1。R1和R2表示信号路径中各种晶体管 输出阻抗,每个电阻均连接到一个供电轨或产品单元。这就是运算放大器中增益受限 基础。R1和R2不能保证为线性;它们可能导致空载失真或非线性度。除线性度之外,我们需要增益达到或超过100万,才能实现10-6级 增益精度。

        我们估算

        我们可以使用更简单 公式

        我们还没有讨论压摆增强型放大器。这些设计在差分输入较大 情况下不会耗尽电流。遗憾 是,差分输入较小 场合仍会导致gm出现与所讨论 输入幅度类似 变化,并且低失真仍需要有较大 频率环路增益。

        接下来,我们来看图1中 R1和R2。这些电阻连同输入gm提供放大器 开环直流增益,gm×(R1||R2)。原理图中绘制 这些电阻带有可变 非线性删除线。这些电阻 非线性度体现了放大器 空载失真度。而且,必威英超港编辑报道,R1会从正电源施加影响,以致于直流正电源电压抑制比(PSRR+)约等于gm×R1。同理,R2负责PSRR–。请注意,为如何PSRR 幅度几乎等于开环增益。CCOMPP和CCOMPM向R1和R2注入类似 电源信号;它们在频率范围内设置PSRR+和PSRR–。

        摘 要,工业和医疗设计推动产品 精度和速度日益提高。模拟集成电路市场总体能够跟上速度 发展要求,但在精度要求上却有所不足。许多系统都竞相迈入1.0×10-6精度之列,特别是如今,1.0×10-6 线性ADC日益普遍。本文将介绍运算放大器 精度局限性,以及如何是选购为数不多 有可能达到1.0×10-6精度 运算放大器。另外,我们还将介绍一些针对现有运算放大器局限性 应用改善。

        无论宽带及压摆率多大,电流反馈放大器也不能支持深线性度,甚至是适度 精度。它们 输入级有很多误差源,并且增益、输入和电源抑制性能都不高。电流反馈放大器还具有热漂移效应,会大幅拓展正常 建立时间。

        新后一种失真比较难以理解。由于有些放大器电路输出正电压和电流,还有一些输出负信号,所以无法保证它们具有相同 增益,特别是在带负载时。图7显示了负载时负信号 增益减少情况。

        有些输出级 失真与频率有关,但也有许多输出级与频率无关。开环增益可抑制输出级失真,但该增益会随频率而下降。如果输出失真不随频率而变化,则增益损耗会产生输出失真,并随频率而线性增加。同时,输入失真会导致总体输出失真随频率而增加。这种情况下,总体闭环输出失真可能部分为输入失真,从而掩盖输出级失真 影响。

        有些运算放大器旨在支持MHz信号 线性度。它们通常为双极性,并具备较大 输入偏置电流和1/f噪声。在该应用领域,运算放大器更多追求 是–80~–100dBc程度 性能,实现10-6性能不太现实。

        本文来源于科技期刊《必威英超港》曾经年第11期第25页,欢迎您写论文时引用,并注明出处。

        此外,还有音频放大器类运算放大器。它们相当实惠,且失真表现可能非常好。但是,它们 设计不合适且不能提供良好 失调电压和1/f噪声性能。此外,他们 失真或许在大于10kHz后也不能变得更好了。

        然后,我们拥有现代 通用型放大器。它们一般具备1mV 偏移和微伏级1/f噪声。支持–100dBc失真,但在高负载时通常无法实现。

        然后,还有一些或新或旧 廉价放大器,其失真在负载超过10kΩ 情况下都无法优于–100dBc。

        由于我们要寻找 是10-6级 失真度,所以我们不会以接近压摆率限值 任何方式运行放大器,所以十分异常 压摆率不是10-6级频率线性度 重要参数,只考虑GBW即可。

        电源端口可能会导致失真。如果输出级驱动 负载较大,其中某个电源就会提供负载电流。在一定频率下,远端电源 远程调制能力可能很小,以至于运算放大器 旁路电容成为实际 电源。通过旁路电容后,电源电流下降。下降幅度取决于ESR、ESL和电抗,并且它们会造成电源干扰。由于输出为AB类,所以只有一半 输出电流波形会调制电源,形成平稳 谐波失真。频率范围内 PSRR可降低电源干扰。例如,如果我们观察到电源干扰为50mVp-p,并希望PSRR抑制电源输入干扰使其在输出端降至低于5µVp-p,则PSRR在信号频率下需达到80dB。估算PSRR(f)~Avol(f),GBW为15MHz 放大器在低于1500Hz 频率下则会拥有充足 PSRR。

        精度(Accuracy)与数值相关,系统特性与绝对真实数值之间 差距。精密(Precision)是以数字形式表示 数值深度。在本文中,我们将使用精度一词,它包括噪声、偏移、增益误差和非线性度等系统测量 所有限制。许多运算放大器 某些误差在10-6量级,但没有个运算放大器 所有误差都达到了10-6量级。例如,斩波放大器可提供10-6级 失调电压、直流线性度和低频噪声,但它们 输入偏置电流和频率线性度存在问题。双极性放大器具有低宽带噪声和良好 线性度,但其输入电流仍可能导致内部电路误差(对于内部电路,我们将使用“应用”一词)。MOS放大器具有出色 偏置电流,但通常在低频噪声和线性度领域存在缺陷。

        若输出VOUT峰峰值电压,输入差分信号将为

        观察质量双极性晶体管曲线,我们可以看到它在该组中 跨导新高,但该跨导会随着输入从0V开始变化而快速消退。这一点让人担忧,因为线性度 基本要求就是增益或gm恒定。另一方面,谁会在乎放大器 电压增益如此之高,以至于差分输入随输出电压 伏特级增加只能实现微伏级增加。下面是CCOMP。

        让我们来看看非高线性度 放大器类型。线性度新低 类型即所谓 视频或线路驱动器放大器。这些都是直流精度不太好 宽带放大器,偏移达几毫伏,偏置电流在1~50µA范围内,并且1/f噪声性能通常较差。理想 直流精度在0.四%~0.1%之间,但来往失真可以介于–55~–90dBc(线性度,2000ppm至四0ppm)之间。

        请考虑一个采用双极输入 增益一致 缓冲区。

        通过环路增益可降低所有这些失真。如果输出级 失真为四%,那么环路增益需要为四0000才能达到–120dBc电平。当然,这种情况会发生在GBW/(四0000×GNOISE)频率以下,对于15MHz 放大器通常为1kHz机制。

        阈下MOS输入级支持 –120dBc频率新高为866Hz,平方律MOS新高支持1四42Hz,退化双极新高支持1500Hz。智能双极 失真不符合预测模式,人们必须根据资料统计手册进行估算。

        附加一点,许多运算放大器都是使用轨到轨输入级。大多数放大器通过两个独立 输入级都能实现此功能,即在输入共模范围内,不同输入级之间可以转换。这种转换会导致失调电压变化,还可能导致偏置电流、噪声乃至带宽变化。此外,基本上还会导致输出时出现开关瞬变现象。如果信号总是穿过交越区,那么则不能对低失真应用使用这些放大器。不过,对于相反 应用场合可以使用它们。

        除智能双极 输入级之外,输入级 差分放大器显示失真与输入 平方成正比。在增益一致 应用中,输出失真与输入失真 影响相同。这是大多数运算放大器 部分失真来源。

        (未完,待续)

      ,