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『』您真的能通过运算放大器实现ppm精度吗？


工业和医疗设计推动产品的精度和速度日益提高 。 模拟集成电路行业总体能够跟上速度的发展要求 ， 但在精度要求上却有所不足 。 许多系统都竞相迈入1 ppm精度之列 ， 特别是如今 ， 1 ppm的线性ADC日益普遍 。 本文将介绍运算放大器的精度局限性 ， 以及如何选择为数不多的有可能达到1 ppm精度的运算放大器 。 另外 ， 我们还将介绍一些针对现有运算放大器局限性的应用改善 。
精度（Accuracy）与数值相关：系统特性与绝对真实数值之间的差距 。 精密（Precision）是以数字形式表示的数值深度 。 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的所有限制 。 许多运算放大器的某些误差在ppm量级 ， 但没有个运算放大器的所有误差都达到了ppm量级 。 例如 ， 斩波放大器可提供ppm级的失调电压、直流线性度和低频噪声 ， 但它们的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的线性度 ， 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放大器具有出色的偏置电流 ， 但通常在低频噪声和线性度领域存在缺陷 。
在本文中 ， 我们将在转换函数中使用大致相当于1 ppm的非线性度表现谐波失真的–120 dBc失真 。
非ppm放大器类型
让我们来看看非高线性度的放大器类型 。 线性度最低的类型即所谓的视频或线路驱动器放大器 。 这些都是直流精度不太好的宽带放大器：偏移达几毫伏 ， 偏置电流在1 μA至50 μA范围内 ， 并且1/f噪声性能通常较差 。 理想的直流精度在0.3%至0.1%之间 ， 但交流失真可以介于–55 dBc至–90 dBc（线性度：2000 ppm至30 ppm）之间 。
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以及良好的失调电压和噪声性能 ， 但其失真却无法优于–100 dBc ， 特别是在达到1 kΩ或更高负载的情况之下 。
然后 ， 还有一些或新或旧的廉价放大器 ， 其失真在负载超过10 kΩ的情况下都无法优于–100 dBc 。
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 ， 它们的设计不合适且不能提供良好的失调电压和1/f噪声性能 。 此外 ， 他们的失真或许在大于10 kHz后也不能变的更好了 。
有些运算放大器旨在支持MHz信号的线性度 。 它们通常为双极性 ， 并具备较大的输入偏置电流和1/f噪声 。 在该应用领域 ， 运算放大器更多追求的是–80 dBc至–100 dBc程度的性能 ， 实现ppm性能不太现实 。
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 ， 甚至是适度的精度 。 它们的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 ， 会大幅拓展正常的建立时间 。
然后 ， 我们拥有现代的通用型放大器 。 它们一般具备1 mV的偏移和微伏级1/f噪声 。 支持–100 dBc失真 ， 但在高负载时通常无法实现 。
运算放大器的误差源
图1显示的是简化的运算放大器框图 ， 并添加了交流和直流误差源 。 拓扑为带有输入跨导（gm）的单极点放大器 ， 驱动输出缓冲单元的增益节点 。 尽管有许多运算放大器拓扑 ， 但所示的误差源对它们全部适用 。
『』您真的能通过运算放大器实现ppm精度吗？
本文插图

图1.简化的运算放大器和误差源
输入噪声
有的输入噪声电压VNOISE包含宽带和1/f频谱成分 。 如果噪声的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6 nV/√Hz ， 系统带宽为100 kHz ， 那么输入端的有效值噪声则会达到1.9 μV 。 我们可以使用滤波器来降低噪声：例如 ， 将带宽降至1 kHz可使噪声降至0.19 μV rms或1 μV p-p（峰峰）左右 。 频域的低通滤波可降低噪声幅度 ， 就像ADC输出随时间推移而平均化一样 。


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