采用零漂移运算放大器设计的注意事项

零漂移运算放大器

一种特殊形式的运算放大器，适用于精密应用，在这些应用中，输入差分信号非常小，输入引脚上的任何偏移都可能在输出端引起严重误差。

这些专用运算放大器除了具有低输入失调电压外，通常还在宽温度和时间范围內具有高共模抑制比（CMRR）、高电源抑制比（PSRR）、高开环增益和较低的漂移。所有这些特性使它们成为精密应用的理想选择，因为这些器件能够精确地测量小的差分电压，并且高开环增益确保良好的闭环增益精度。它们也不太容易受到外界如电源变化、共模电压和温度效应的影响。

零漂移运算放大器特别适合于差分信号较小的精密应用，尤其是低频应用。这包括物联网（IoT）和工业4.0应用（工业物联网IoT）中使用的许多感知方案。

随着在电池供电（或能量采集）应用中趋向使用低功耗、节能传感器，零漂移运算放大器在许多现代应用中尤其有用，如现在正迅速增长的IoT。

（一）输入偏置电压

输入失调电压是个重要参数，因为它定义了可以捕获和放大的最小信号，从而限定了较低的动态范围。在数据表中，通常将其称为VOS或VIO。它是IN+和IN-端子之间差分电压的量度，有效地测量了运算放大器输入对的匹配程度。

在理论上理想的运算放大器中，输入端子在闭环系统中将处于相同的电压电平。但在实际应用中，总会有一些输入失调电压，不过很小。这是由于半导体材料的实际变化导致输入引脚上的内部电压升高。这些材料差异还会导致输入失调电压随温度变化而产生幅度变化甚至极性变化，使应用中的校准极具挑战性。

典型的通用运算放大器的输入失调电压约为几毫伏，而专用零漂移运算放大器的输入失调电压约为10-25微伏，小两个数量级。

（二）零漂移技术和架构

可采用几种技术来确保在宽广的温度和时间范围内具有低输入失调电压，以产生零漂移运算放大器。实现此目标的方法之一是定期测量输入失调电压，然后施加校正电压以调整运算放大输出的偏移量。这种方法被称为“斩波稳定”，因其在前馈部分使用了斩波器。

斩波稳定技术的主要限制在于斩波器的电路中包含时钟系统。因此，零漂移运算放大器易受经典采样系统混叠或外差问题的影响。当输入信号的频率类似于斩波电路的时钟频率时，这尤为明显。斩波稳定运算放大器的最佳性能出现在输入信号频率保持在相关奈奎斯特频率以下时。设计人员应注意确保输入频率保持在失调校正频率的一半以下（并在闭环带宽内），以获得最佳性能。

创建零漂移架构的另一种方法称为“自动归零”。尽管系统架构最初看起来类似于具有高频路径和低频前馈校正路径的斩波稳定架构，但实现方式却大不相同。

虽然所有斩波稳定和自动归零运算放大器都易受混叠影响，但可以减轻这种影响。例如，安森美半导体的NCS333和NCS21911器件含两个级联对称型RC陷波滤波器，这些滤波器已调谐到斩波频率和5次谐波。与市场上的其他器件相比，这种布置能够减小混叠效应，并提供强大的性能。

（三）采用零漂移运算放大器设计的注意事项

使用零漂移运算放大器的主要设计考虑因素涉及减轻混叠。这现象不应被认为是一种缺陷，这是需要了解和缓解的现象。

减轻混叠的关键是知道运算放大器的时钟频率。在许多情况下，制造商不会发布信息，因此需要进行实验以推断。最简单和最有效的一个方法是简单的时域测试，同时使用示波器监视输出。合理地假设频率在器件的增益带宽积之内，则放大器输入应从零频率扫描到增益带宽积。测试表明，时钟频率通常是增益带宽积的三分之一，但并非总是如此。

为从零漂移放大器获得最佳性能，设计人员应遵循奈奎斯特采样理论，并确保最大信号频率小于内部时钟频率的一半。但精密模拟电路对从杂散信号、噪声或纹波中拾取敏感，其中任何一个都可能包含高于奈奎斯特频率的频率，这可能会导致误差或错误的输出。

好的做法是在放大器之前加入一个模拟低通滤波器，以用作抗混叠滤波器。滤波器衰减高于奈奎斯特频率的频率以减少或消除任何混叠。该滤波器必须是纯模拟的并且没有有源元件。在许多情况下，只需要一个简单的两段级联RC滤波器。

一般而言，级联零漂移放大器并不是好的设计实践，因为不同的时钟频率可能会相互作用，从而导致不良影响，包括可能的混叠。建议使用相对较低值的输入电阻，因为斩波稳定电路会产生输入电流尖峰，从而产生电压，电压随后被放大。如前所述，可使用合适的无源RC滤波器来衰减这些尖峰。

设计人员还应意识到，零漂移运算放大器的建立时间有限，因为斩波电路是基于时间的采样。这意味着输入的大动态步长（或过载）可能使环路需要时间来重新建立低输入失调。但通过使用更高的时钟频率，可以期望快速恢复和建立，通常在几十微秒之内。任何事情都需要权衡取舍，在这也不例外，因为更快的建立速度可能导致更高的输入失调。大多数零漂移运算放大器都优先在建立时间内减小输入失调。

由于在零漂移运算放大器内有相当数量的逻辑电路，启动所需的时间是有限的，在此期间，输出将反映未经校正的输入失调电压。在大多数情况下，这不是个问题，因为影响只发生在最初的几个时钟周期，而相关的时间是在整个系统的上电时间内。

如果设计人员使用仿真工具来开发电路，应意识到SPICE模型不能深入了解零漂移行为，如混叠。典型的SPICE模型能够模拟设备的线性性能，而不是斩波器的性能，部分原因是这会降低模拟的速度。
（四）小结

输入失调电压是所有运算放大器的一个关键参数，对于看重此参数的应用，可采用专用的零漂移运算放大器，实现在低差分输入情况下的精密应用。就像所有的工程方案，设计人员需要权衡取舍以获得最佳性能。而这些专用器件使输入频率保持在奈奎斯特频率以下，并提供一些基本的无源滤波，极其适用于低频传感器应用。

图1：斩波稳定运算放大器的简化框图

图2：自动归零运算放大器的简化框图