解析精密信号链设计的斩波放大器

本文中，我将介绍在设计精密信号链时常会遇到的两个设计难题，并说明如何克服它们。但您首先必须了解这些系统中常用的斩波放大器。

什么是斩波放大器？

斩波放大器是一种零漂移运算放大器，因具有超低的失调电压而闻名，这归功于其内部拓扑结构，无论配置如何，都能在很大程度上减小放大器的失调电压。因而具有非常低的失调电压误差（失调电压、漂移、共模抑制比 [CMRR]、电源抑制比 [PSRR] 和开环电压增益 [Aol]），如图1所示。此拓扑的另一个好处是，由于放大器将低频噪声感知为直流误差（并因而尽量减少噪声），因此它具有平坦的1/f或闪烁噪声。斩波放大器是直流到几万赫兹的频率下要求高精度的应用（例如，精密温度监测、惠斯通电桥测量和电压基准缓冲）的理想选择。

图形和规格差异表明，与连续时间放大器相比，由于架构的原因，斩波放大器具有低失调电压误差和平坦的1/f噪声曲线。

图1：斩波放大器具有低失调电压误差和平坦的1/f噪声曲线

接下来，我们再回到精密信号链面临的难题。

难题1：更大限度减小整个温度范围内的失调电压误差

设计精密信号链时遇到的其中一大难题是更大限度减小ADC驱动器和基准缓冲器产生的失调电压误差。虽然在生产期间执行校准可以改善失调电压、CMRR、PSRR和Aol性能，但失调电压温漂的校准很困难而且成本昂贵，需要在生产期间更改系统温度或增加校准环路，从而会增大系统尺寸和物料清单计数。得益于斩波放大器固有的低温漂性能，使用斩波放大器有助于解决此问题，不再需要校准温漂。

但是，下一代斩波放大器有一个新的问题，使这些器件无法实现更好的温漂。此问题称为塞贝克效应，它是热电偶效应的一部分。塞贝克效应是指在温度梯度间产生电势，该电势在自热放大器运行期间以及环境温度下自然产生。对于在信号路径（从引脚到放大器核心）中使用异种金属的器件，此梯度会增加。

认识到这一局限性并使用不同材料进行广泛的实验之后，德州仪器确定了一种材料组合，能够在-40℃至+125℃的整个温度范围内生产OPA2182时，仅产生最高12nV/°C的温漂。图2对比了OPA2182与非斩波放大器OPA2140的温漂。

两个图形显示了OPA2182和OPA2140之间的输入温漂差异。

图2：OPA2182温漂与OPA2140激光修整温漂

难题2：缩短信号稳定时间

在设计精密信号链时的另一个难题是如何快速而准确地在ADC输入端使信号趋稳。对于在信号链的输入端使用多路复用器来节省布板空间和系统成本的系统，趋稳特别困难。开关输入产生的问题是，当多路复用器切换通道时，ADC驱动器可能会看到阶跃输入。为了提供保护，许多放大器之间连接有反向并联二极管。当遭受阶跃响应时，输入将不再近似相等（与正常运行时相同），并且其中一个反向并联二极管将变为正向偏置，从而将电流从一个输入端引到另一个输入端。此电流将流经多路复用器和信号源，从而导致稳定响应延迟。

为了缩短放大器的稳定时间，德州仪器为器件增加了支持多路复用器(MUX)的输入，例如OPA2182。这个已获专利的结构去掉了反向并联二极管，并且由于没有错误电流流过信号源和多路复用器，使放大器能够更快地建立阶跃输入。图3对比了支持多路复用器的输入与经典输入级。

图中显示了支持多路复用器的OPA2182与经典输入级之间的输出电压随时间而产生的差异。

图3：OPA2182的稳定时间：支持多路复用器的输入与经典输入级

尽管在设计精密信号链时存在许多难题，但是像OPA2182这样的斩波放大器可提高温漂性能，并改进支持多路复用器的输入，从而帮助简化设计。
编辑：hfy