精密運算放大器技術(shù)特點及設(shè)計要點

精密運算放大器一般指失調(diào)電壓低于1mV的運放并同時強(qiáng)調(diào)失調(diào)電壓隨溫度的變化漂移值要小于100?V。對于直流輸入信號，VOS和它的溫漂足夠小就行了，但對于交流輸入信號，我們還必須考慮運放的輸入電壓噪聲和輸入電流噪聲，在很多應(yīng)用情況下輸入電壓噪聲和輸入電流噪聲顯得更為重要一些。

傳統(tǒng)的低噪聲精密運放用雙極(Bipolar)技術(shù)來設(shè)計，隨著現(xiàn)有的很多產(chǎn)品采用電池供電，低功耗設(shè)計越來越重要，傳統(tǒng)的精密運放在功耗和軌對軌(rail to rail)輸出特性已不能滿足市場的需要，而且傳統(tǒng)的精密運放還有一個致命的缺點就是需要負(fù)電源供電，這在很多產(chǎn)品的系統(tǒng)設(shè)計中是不能容忍的。因而市場呼喚低功耗、低噪聲、高速大帶寬、軌對軌輸出特性的精密運放，于是CMOS設(shè)計技術(shù)成為首選，相關(guān)高精密運算放大器應(yīng)運而生。

隨著DSP處理能力的提高和高速高精度ADC的發(fā)展，模擬信號鏈處理越來越向下述的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靠近，如圖1所示。依靠強(qiáng)大的DSP處理器運算能力，DSP處理器將在數(shù)字域?qū)π盘栠M(jìn)行處理，比如信號的濾波、調(diào)制與解調(diào)、算法處理等等，以前用硬件實現(xiàn)的功能大量使用軟件去代替，這種結(jié)構(gòu)極大地節(jié)省了硬件成本，但是它對前級的運放提出了很高的要求。我們知道一個系統(tǒng)輸入級的噪聲性能往往決定了一個系統(tǒng)的設(shè)計成敗，若運放噪聲性能不好，DSP處理器功能再強(qiáng)大也不行。輸入級運算放大器成為這種信號處理結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵點，只有高速、低功耗、低噪聲、大帶寬、高輸入阻抗、軌對軌輸出特性的精密運放才能勝任。

圖1: 模擬信號鏈處理過程示意圖。

新型傳感器層出不窮，對大部分傳感器而言，其輸出信號主要在低頻端，而且信號幅度很小，比如應(yīng)變壓力傳感器其輸出一般在5mV左右，熱電偶輸出信號幅度在2mV左右，應(yīng)用中和它們接口的運算放大器必須是精密運放。CMOS技術(shù)設(shè)計的運算放大器和雙極技術(shù)相比，具有更大的失調(diào)電壓和大的低頻噪聲，為了達(dá)到傳感器系統(tǒng)設(shè)計需要的性能指標(biāo)，CMOS設(shè)計技術(shù)需要在電路上進(jìn)行特別的處理，比如自動調(diào)零(AutoZero)技術(shù)、相關(guān)雙采樣(CDS)技術(shù)、斬波(Chopping)穩(wěn)零技術(shù)等。