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- 发布日期：2024-10-29 06:59 点击次数：191
精度（Accuracy）与数值相关：系统特性与绝对真实数值之间的差距。精密（Precision）是以数字形式表示的数值深度。在本文中，我们将使用精度一词，它包括噪声、偏移、增益误差和非线性度等系统测量的所有限制。许多运算放大器的某些误差在ppm量级，但没有个运算放大器的所有误差都达到了ppm量级。例如，斩波放大器可提供ppm级的失调电压、直流线性度和低频噪声，但它们的输入偏置电流和频率线性度存在问题。双极性放大器具有低宽带噪声和良好的线性度，但其输入电流仍可能导致内部电路误差（对于内部电路，我们将使用“应用”一词）。MOS放大器具有出色的偏置电流，但通常在低频噪声和线性度领域存在缺陷。
在本文中，我们将在转换函数中使用大致相当于1ppm的非线性度表现谐波失真的–120dBc失真。非ppm放大器类型
让我们来看看非高线性度的放大器类型。线性度最低的类型即所谓的视频或线路驱动器放大器。这些都是直流精度不太好的宽带放大器：偏移达几毫伏，偏置电流在1µA至50µA范围内，并且1/f噪声性能通常较差。理想的直流精度在0.3%至0.1%之间，但交流失真可以介于–55dBc至–90dBc（线性度：2000ppm至30ppm）之间。
下一项分类是传统经典运放设计，例如OP-07，可能具有高增益、CMRR、PSRR以及良好的失调电压和噪声性能，但其失真却无法优于–100dBc，特别是在达到1kΩ或更高负载的情况之下。
然后，还有一些或新或旧的廉价放大器，其失真在负载超过10kΩ的情况下都无法优于–100dBc。
此外，还有音频放大器类运算放大器。它们相当实惠，且失真表现可能非常好。但是，它们的设计不合适且不能提供良好的失调电压和1/f噪声性能。此外，他们的失真或许在大于10kHz后也不能变的更好了。有些运算放大器旨在支持MHz信号的线性度。它们通常为双极性，并具备较大的输入偏置电流和1/f噪声。在该应用领域，运算放大器更多追求的是–80dBc至–100dBc程度的性能，实现ppm性能不太现实。无论宽带及压摆率多大，电流反馈放大器也不能支持深线性度，甚至是适度的精度。它们的输入级有很多误差源，并且增益、输入和电源抑制性能都不高。电流反馈放大器还具有热漂移效应，会大幅拓展正常的建立时间。然后，我们拥有现代的通用型放大器。它们一般具备1mV的偏移和微伏级1/f噪声。支持–100dBc失真，但在高负载时通常无法实现。运算放大器的误差源图1显示的是简化的运算放大器框图，并添加了交流和直流误差源。拓扑为带有输入跨导gm的单极点放大器，驱动输出缓冲单元的增益节点。尽管有许多运算放大器拓扑，但所示的误差源对它们全部适用。
图1：简化的运算放大器和误差源
输入噪声有的输入噪声电压VNOISE包含宽带和1/f频谱成分。如果噪声的幅度类似或超过系统LSB，则无法准确地测量信号。例如，XHSC(小华半导体)芯片 如果宽带噪声为6nV/√Hz，系统带宽为100kHz，那么输入端的有效值噪声则会达到1.9µV。我们可以使用滤波器来降低噪声：例如，将带宽降至1kHz可使噪声降至0.19µV rms或1µVp-p左右。频域的低通滤波可降低噪声幅度，就像ADC输出随时间推移而平均化一样。不过，由于速度太慢，1/f噪声实际上无法过滤或均化。1/f噪声通常使用0.1Hz至10Hz频谱范围内生成的峰峰值电压噪声体现。大多数运算放大器的低频噪声都介于1µVp-p至6µVp-p之间，因而不太适合对直流精度要求高的ppm级别，特别是在提供增益的情况下。图2显示的是优良的高精度放大器LT1468的电流和电压噪声。
图2：LT1468输入电压和电流噪声
在图1的输入端，还有偏置电流噪声源INOISE+和INOISE-。它们包含宽带和1/f频谱成分。INOISE乘以等效电阻会产生更多输入电压噪声。一般而言，同相端和反相端的两个电流噪声之间互不相关，不会随着两端输入电阻值相等而抵消，而是以rms方式增加。INOISE乘以输入等效电阻产生的噪声电压常常会超过1/f区的VNOISE。
输入共模抑制和偏置误差下一种误差源是VCMRR。这体现在共模抑制比指标参数上，其中失调电压会随着相对于两个供电轨的输入电平而变化（所谓的共模电压，VCM）。使用的符号指示箭头方向的电源相互影响，通过它的分割线表示其可变，但可能是非线性变化。CMRR对信号的主要影响在于使线性部分与增益误差无法区分。非线性部分将会失真。图3显示了T6018的CMRR。增加的线与CMRR曲线在该曲线分化到过载之前的极点相交。该线的斜率提供的CMRR=133dB。范围每相差30V，CMRR曲线与理想线之间的偏差仅约为0.5µV，表示ppm以下级别的输入非常成功。其他放大器的曲率可能更大。
图3：LT6018输入失调电压与VCM
失调电压（VOS）将归入此处的CMRR。斩波放大器的输入失调电压低于10µV，相对于2Vp-p至10Vp-p的典型输入信号，接近于单ppm误差。甚至，最佳ADC的失调电压通常会多达100µV。所以，10uV级的失调电压不会对运算放大器自身造成太大的负担；无论如何，系统本身会自动调零。与输入信号的共模电平相关的是ICMRR，即输入偏置电流及其随电源的变化情况。断线表明偏置电流会随电压变化，并且也可能不是线性变化。共有四个ICMRR，因为两个输入端有独立的偏置电流和电平相关性，并且每个输入端随两种电源的变化不同。ICMRR乘以应用电阻的阻值会增加电路的整体失调电压。图4显示了LT1468的偏置电流与VCM（ICMR规格）。添加的线所示的斜率为~8nA/V，在使用1kμΩ应用电阻或低ppm误差的情况下将为8µV/V。它与直线的偏差约为15nA，由此在1kμΩ应用环境下会在26V范围内产生15µV的误差，或非线性度达0.6ppm。
图4：LT1468输入偏置电流与VCM
输入级失真图1显示了输入级，它们通常是由一对差分晶体管设计成跨导电路。图5顶部显示了各种差分放大器类型的集电极或漏电流以及差分输入电压。我们模拟一个简单的双极性对、一个跨线性电路（我们称之为“智能双极”）、一个低阈值（即非常大）的MOS差分对、一个带发射极电阻的双极性对（图5中已退化）和一个超越阈下区域而进入平方律机制运行的小型MOS对。使用 100μA的尾电流模拟所有差分放大器。
图5：各种差分放大器的输出电流和跨导以及输入电压
在显示图5底部所示的跨导与VIN之前，明确的信息不多。跨导（gm）是输出电流相对于输入电压的导数，使用LTspice®模拟器生成。语法当中包含d（），其在数学上等同于d（）/d（VINP）。gm的非平面度即运算放大器在频率下的基本失真机制。
对于直流，运算放大器的开环电压增益约为~gm（R1
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