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基于噪声增益的斩波技术可实现提高DC精度

2020年08月03日 16:45 次阅读

运算放大器的一个最重要的指标就是它的输入失调电压。对很多运放可以忽略这个电压,但问题是:失调电压会随着温度、闪烁噪声和长期漂移而改变。斩波与自动调零技术已经出现多年,它们能够将输入失调电压减小到微伏以下。这种技术的精度非常好,甚至会让其它微小影响占据误差的主要地位,如铜焊盘的热偶节点,直到它们也被一一克服。本设计实例介绍了一种新型斩波技术。“噪声增益的斩波”是一种实时测量失调电压的简单方法,这样就可以将其减除,从而提高DC精度。

图1是一个搭成反相10倍增益结构的LTC6240HV运放,也包括了它的一些相应规格。所有输入失调电压都在输出端表示为11倍增益(称为“噪声增益”)的输出误差。任何下游电路或输出电压的观测者都无法将所需输出信号与输出误差区别开来。

基于噪声增益的斩波技术可实现提高DC精度

图2表示了噪声增益的斩波方法。S1用于附带分流电阻R3的进出切换,从而在不影响信号增益或带宽时改变噪声增益。通常情况下带宽会有些下降,但无论开关处于闭合或打开状态,带宽极限都由C1决定。现在向输出端施加一个小方波,其幅度等于现有的DC误差。可以用一个普通的斩波器解调出误差,也可以在一个现代的ADC系统中用软件减掉它。

图2电路更像一个输入同时连接和断接的简单求和放大器。这个意义上,它更像一个真正的斩波放大器。但此时,被斩波的输入电压是放大器的失调电压,而不是输入信号。如果没有必要为什么要断开输入信号呢?另外也不存在连续斩波的要求,只需在有失调测量需求时用它即可。

图2S1切换附加分流电阻R3的进出在不影响信号增益或带宽情况下改变噪声增益

注意,虽然本设计实例给出了易于理解的反相例子,但S1使用一种好的模拟开关时,也适用于非反相的方法。另外与所有采样系统一样,大于等于时钟速率的频率都会潜入基带中,因此要在斩波前将其滤掉。最后,本方法并不会修正偏置或泄漏电流导致的误差。

开关S1打开和关闭,提高噪声增益,并交替地以11和22的噪声增益使输入误差出现在输出端。得到的方波是一个容易测 量的“11误差”,这样就可以从输出上将其减掉。这种技巧类似于普通的斩波放大器,不同之处是斩波对象是误差,而不是信号。

图3是图2电路的输出波形,输入电压为0V(接地)。上方的曲线是“S”,它是以750Hz加在S1上的控制信号。下方曲线是在1mV、2mV之间交替的输出误差,表示90mV的运放失调。输出端“看到”的是输出失调噪声增益加倍的结果。两个噪声增益的差为11,这个差值表示S1所造成的方波波幅,它与输入电压无关。

图3这个示波图形表示图2电路的输出输入电压为0V上方为S是以750Hz加到S1上的控制信号下方曲线是在1mV和2mV之间交错的输出错误

图4与图3类似,但被缩小,输入电压为2mV峰峰值的慢速正弦波,即输出为20mV峰峰值。图3的1mV方波叠加在慢速的输出信号上,并且仍然包含实时的DC错误信息。只要看看输出就可以辨别出信号的实际值低于测量值1mV。

图4示波图形与图3类似但施加的输入电压为2mV峰峰值慢速正弦波信号

责任编辑:gt

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