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利用截波放大器 实现讯号链零错误的两种解决方法
 

【CTIMES/SmartAuto 报导】   2021年02月04日 星期四

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可编程逻辑控制器、秤重和自动测试设备等工业设备,对更高解析度和速度的讯号链需求逐渐攀升,对高精密度放大器的需求也跟着增加,因为在这类讯号链中,高精密度放大器可当作类比转数位转换器(ADC)驱动器和电压叁考缓冲器来使用。

OPA2182和非截波放大器OPA2140的零点漂移比较。
OPA2182和非截波放大器OPA2140的零点漂移比较。

常用於这类系统内的截波放大器,是一种零漂移运算放大器(op amp),且无论配置为何,其内部拓扑结构都可将放大器的偏移降至最低,因此具有极低的偏移电压。如此一来,偏移误差也会变得极低(偏移、飘移、共模拒斥比[CMRR]、电源供应拒斥比[PSRR]和开环电压增益[Aol])。

这个拓扑结构的另一项优点,在於放大器会将低频率杂讯视为DC错误(因此可将其降至最低),所以此拓扑结构具有平坦的1/f,也就是闪烁杂讯。诸如精密温度监控、惠斯登电桥(Wheatstone bridge)量测和电压叁考缓冲器等,都需要在DC与数十千赫等多种频率之间实现高精密度的应用,因此对这类应用来说,截波放大器会是极为理想的选择。

德州仪器指出,在设计精密讯号链时常见两种设计挑战,但也有克服这些挑战的相应方法。

首先,要将不同温度间的偏移误差减至最少。德州仪器表示,设计精密讯号链时,面临的最大挑战之一,就是需将ADC驱动器和叁考缓冲器所导致的偏移误差降至最低。虽然在生产期间执行校准,可以改善偏移、CMRR、PSRR和Aol性能,但是偏移电压漂移的校准作业却相当困难,且所费不赀。

此作业需要改变生产时的系统温度,或加入校准环路,导致系统尺寸和物料清单数量皆随之增加。相较於对零点漂移进行校准,由於截波放大器固有的零点漂移性能偏低,因此使用截波放大器有助於解决前述问题。

然而,新一代的截波放大器却存在一项全新的问题,会限制这类装置达到更隹的零点漂移性能。这种问题称为「赛贝克效应」(Seebeck effect),属於热电偶效应的一部分。赛贝克效应是在温度梯度中产生电位的情况,当放大器在运作期间自热时,会自然发生赛贝克效应,在环境温度下也会如此。若装置内从接脚到放大器核心之间的讯号通道使用相异的金属,前述梯度就会增加。

TI发现此限制,并以不同金属进行广泛的实验後,找出了一种材料组合,可生产OPA2182,此产品在从-40。C到+125。C的完整温度范围中,最大零点漂移仅有12nV/。C。

另一项设计挑战,是如何快速且正确地让ADC输入处的讯号达到安定。对於为了节省基板空间和系统成本,而在讯号链输入处使用多工器的系统而言,安定作业格外困难。当多工器切换通道时,ADC驱动器可能会出现步阶输入,此时切换式输入就会产生前述问题。

许多放大器之间的反平行二极体皆互相连接,以提供防护。受到步阶响应影响时,输入将不再处於大致相等的状态(如同在正常运作下),且其中一个反平行二极体会变成正向偏压,从一个输入将电流汲取至另一个输入。前述电流会流经多工器和讯号来源,导致安定响应延後。

为了改善放大器的安定时间,TI在装置中加入可搭配多工器(MUX)使用的输入,例如在OPA2182中即加入了这类输入。这项具专利的结构可免除使用反平行二极体,同时因为不会有错误电流流经讯号来源和多工器,所以放大器能更快速地安定至步阶输入。

虽然在设计精密讯号链时存在许多挑战,不过如OPA2182等截波放大器皆具有更隹的零点漂移性能和可搭配MUX使用的输入,因此可协助简化设计。

關鍵字: 放大器  TI 
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