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『』您真的能通过运算放大器实现ppm精度吗？( 五 )


有些输出级的失真与频率有关 ， 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主要为输入失真 ， 从而掩盖输出级失真的影响 。
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 ， 该失真随频率的平方而变化 ， 并且无法与输入失真区分开来 。
低功耗运算放大器包含的输出级通常较少 ， 静态电流低 。 输出失真可能主要是由这些放大器的输出级导致 ， 而不是输入级 。 所以 ， 至少需要2 mA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的 。
ppm级精度的规格要求
在实际电平转换、衰减/增益和有源滤波器电路中 ， 运算放大器需满足一些基本要求才能支持±5 V信号、适用于1 kΩ环境并实现表1所示的1 ppm线性度 。
『』您真的能通过运算放大器实现ppm精度吗？
本文插图

现在 ， 我们了解了运算放大器在ppm精度领域的局限性 ， 那么我们该如何改善它们？
噪声：显然 ， 首先要选择一款输入噪声电压不高于应用电阻组合噪声的运算放大器 。 这样可以降低应用电路的总阻抗 ， 从而降低噪声 。 当然 ， 随着应用的阻抗下降 ， 通过它们的信号电流会增加 ， 并可能使负载诱发的失真加大 。 在任何情况下 ， 都不必使运算放大器级别的输出噪声远低于其驱动级别的输入噪声 。
电流噪声会乘以应用阻抗 ， 进而形成更多的电压噪声 。 在电流噪声很低的应用中 ， MOS输入非常吸引人 ， 但它们的1/f电压噪声通常比双极性输入大 。 双极性输入的电流噪声为pA/√Hz级别 ， 可能会产生较大的应用噪声 ， 但1/f电流内容生成的应用电压噪声可能大于放大器的1/f电压噪声 。 一般而言 ， 应用阻抗应小于放大器的VNOISE/INOISE ， 以避免IBIAS为主的应用噪声 。 双极性放大器的VNOISE越低 ， INOISE则越高 。
帮助运算放大器实现最佳性能
减少输入误差
除选择CMRR优良的运算放大器之外 ， 设计人员还可以选择用运放搭建反相放大电路而不是同相放大电路 。 在反相电路中 ， 输入会与地面或一些基准电压源相连 ， 完全不会引发CMRR误差 。 不过 ， 并不是所有应用电路都能反相 ， 而且通常负电源无法用于负信号偏移 。 图8显示了非反相电路和反相电路中应用的双极点Sallen-Key滤波器 。
『』您真的能通过运算放大器实现ppm精度吗？
本文插图

图8.非反相（左）和反相（右）Sallen-Key有源滤波器
如果两个输入端均包含应用电阻 ， 则每个输入端的偏置电流乘以相应的电阻产生的电压误差会在输出端抵消 ， 因此也可以抵消ICMR误差 。 例如 ， 如果设置的放大器增益为10 ， 附带900 Ω反馈和100 Ω接地电阻 ， 则在正输入端安置串联的90 Ω（900Ω||100Ω）电阻即可抵消完全相等的输出偏置电流产生的电压误差 。 大多数双极性运算放大器的偏置电流搭配都很恰当 ， 使得选择0.1%（而不是常见的1%）电阻即可实现最佳ICMR抑制 。 在图4中 ， 补偿电阻与反相输入端-input串联放置 。 它们应能够被旁路通过 。 因为额外的输入电阻会导致噪声增加（电流噪声乘以连接的等效电阻） 。
反相增益让我们能够使用包含轨到轨输入的运算放大器 ， 而不必让信号穿过切换点（假设我们已偏置电源和共模输入电平 ， 以避免切换电压） 。
电源注意事项
输出电流将会调节本地的供电电源 。 电源信号将通过PSRR传输到输入端 。 被影响的输入会生成输出信号 ， 围绕其环路运行 。 在1 kHz频率下 ， 1 μF本地旁路电容的阻抗为159 Ω ， 远低于电源之间线路加上电源本身的阻抗 。 因此 ， 本地旁路电容实际上在低于100 kHz的频率下没有效果 。 在1 kHz频率下 ， 调控情况由远程电源控制 。 在1 kHz频率下 ， 放大器可能达到90 dB电源抑制比 。 请注意 ， 运算放大器电源端口的大部分电流包含了大量的信号谐波 ， 所以我们希望从输出到供给电源的增益低于30 dB ， 以实现120 dBc的目标 。 要实现30 dB的增益 ， 需要电源阻抗<30×负载阻抗 。 因此 ， 500 Ω负载需要电源的阻抗小于17 Ω 。 这种情况可行 ， 但是这样就不能在电源与运算放大器之间串联电阻和电感 。 在10 kHz频率下 ， 要求则更加严格；PSRR将从90 dB降至70 dB ， 而电源阻抗则必须降至1.7 Ω 。 可行 ， 但要求严苛 。 使用大型本地旁路可提供帮助 。


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