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德州儀器:截波放大器讓訊號鏈零錯誤的兩種解決方法

本文作者:德州儀器       點擊: 2021-02-04 14:25
前言:
 隨著如可編程邏輯控制器、秤重和自動測試設備等工業設備對更高解析度和速度的訊號鏈需求逐漸攀升,對於高精密度放大器的需求也跟著增加,這是因為在這類訊號鏈中,高精密度放大器可做為類比轉數位轉換器 (ADC) 驅動器和電壓參考緩衝器使用。

在此文章中,我將會探討在設計精密訊號鏈時常見的兩種設計挑戰,以及克服這些挑戰的方法。不過首先,我們必須瞭解常用於這類系統內的截波放大器。

何謂截波放大器?

截波放大器是一種零漂移運算放大器 (op amp),並且具有極低的偏移電壓,這是因為無論配置為何,其內部拓撲結構都可將放大器的偏移降至最低。如此一來,偏移誤差也會變得極低 (偏移、飄移、共模拒斥比 [CMRR]、電源供應拒斥比 [PSRR] 和開環電壓增益 [Aol]),如圖 1 所示。此拓撲結構的另一項優點,在於放大器會將低頻率雜訊視為 DC 錯誤 (因此可將其降至最低),所以此拓撲結構具有平坦的 1/f,也就是閃爍雜訊。諸如精密溫度監控、惠斯登電橋 (Wheatstone bridge) 量測和電壓參考緩衝器等等,都是需要在 DC 與數十千赫等多種頻率之間實現高精密度的應用,而對於這類應用來說,截波放大器會是極為理想的選擇。
 
圖 1:受惠於其結構,截波放大器具有低偏移誤差和平坦的 1/f 雜訊曲線

現在讓我們回到精密訊號鏈所面臨的挑戰。

第1項挑戰:將不同溫度間的偏移誤差減至最少

設計精密訊號鏈時所面臨的最大挑戰之一,就是需將 ADC 驅動器和參考緩衝器所導致的偏移誤差降至最低。雖然在生產期間執行校準,可以改善偏移、CMRR、PSRR 和 Aol 性能,但是偏移電壓漂移的校準作業卻相當困難且所費不貲。此作業需要改變生產時的系統溫度,或加入校準環路,導致系統尺寸和物料清單數量皆隨之增加。相較於對零點漂移進行校準,由於截波放大器固有的零點漂移性能偏低,因此使用截波放大器有助於解決前述問題。

然而,新一代的截波放大器卻存在一項全新的問題,會限制這類裝置達到更佳的零點漂移性能。前述問題稱為「賽貝克效應」(Seebeck effect),是屬於熱電偶效應的一部分。賽貝克效應是在溫度梯度中產生電位的情況,當放大器在運作期間自熱時即會自然發生賽貝克效應,在環境溫度下也會如此。若裝置內從接腳到放大器核心之間的訊號通道使用相異的金屬,前述梯度就會增加。

TI 在發現此限制並以不同金屬進行廣泛的實驗後,找出了一種材料組合,讓我們可生產 OPA2182,此產品在從 -40°C 到 +125°C 的完整溫度範圍中,最大零點漂移僅有 12 nV/°C。圖 2 為 OPA2182 和非截波放大器 OPA2140 的零點漂移比較。
 
圖 2:OPA2182 的零點漂移和 OPA2140 的雷射修整零點漂移比較

第2項挑戰:改善訊號安定時間

設計精密訊號鏈時面臨的另一項設計挑戰,是如何快速且正確地讓 ADC 輸入處的訊號達到安定。對於為了節省基板空間和系統成本,而在訊號鏈輸入處使用多工器的系統而言,安定作業格外困難。當多工器切換通道時,ADC 驅動器可能會出現步階輸入,此時切換式輸入就會產生前述問題。許多放大器之間的反平行二極體皆互相連接,以提供防護。受到步階響應影響時,輸入將不再處於大致相等的狀態 (如同在正常運作下),且其中一個反平行二極體會變成正向偏壓,從一個輸入將電流汲取至另一個輸入。前述電流會流經多工器和訊號來源,導致安定響應延後。

為了改善放大器的安定時間,TI 在裝置中加入可搭配多工器 (MUX) 使用的輸入,例如在 OPA2182 中即加入了這類輸入。這項具專利的結構可免除使用反平行二極體,同時因為不會有錯誤電流流經訊號來源和多工器,所以放大器能更快速地安定至步階輸入。圖 3 是可搭配 MUX 使用的輸入和典型輸入級的安定時間比較。
 
圖 3:OPA2182 的安定時間:可搭配 MUX 使用的輸入和典型輸入級的比較

雖然在設計精密訊號鏈時存在許多挑戰,不過如 OPA2182 等截波放大器皆具有更佳的零點漂移性能和可搭配 MUX 使用的輸入,因此可協助您簡化設計。

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