Barry Harvey （ADI公司）
（接上期）
7 ppm级精度的规范要求
在实践电平转化、衰减/增益和有源滤波器电路中，运算扩大器需满意一些基本要求才干支撑±5 V信号、适用于1 kΩ环境并完成表1所示的10 -6 线性度。
现在，咱们了解了运算扩大器在10 -6 精度范畴的局限性，那么咱们该怎么改进它们？
噪声：明显，首先要选择一款输入噪声电压不高于运用电阻组合噪声的运算扩大器。这样能够下降运用电路的总阻抗，然后下降噪声。当然，跟着运用的阻抗下降，经过它们的信号电流会添加，并或许使负载诱发的失真加大。在任何状况下，都不用使运算扩大器等级的输出噪声远低于其驱动等级的输入噪声。
电流噪声会乘以运用阻抗，然后构成更多的电压噪声。在电流噪声很低的运用中，MOS输入十分吸引人，但它们的1/f电压噪声一般比双极性输入大。双极性输入的电流噪声为pA/√Hz等级，或许会发生较大的运用噪声，但1/f电流内容生成的运用电压噪声或许大于扩大器的1/f电压噪声。一般来说，运用阻抗应小于扩大器的V NOISE /I NOISE ，以防止I BIAS 为主的运用噪声。双极性扩大器的V NOISE 越低，I NOISE 则越高。
8 协助运算扩大器完成最佳功用：削减输入差错
除选择CMRR优秀的运算扩大器之外，规划人员还能够选择用运放树立反相扩大电路而不是同相扩大电路。在反相电路中，输入会与地上或一些基准电压源相连，彻底不会引发CMRR差错。不过，并不是一切运用电路都能反相，而且一般负电源无法用于负信号偏移。图8显现了非反相电路和反相电路中运用的双极点Sallen-Key滤波器。
假如两个输入端均包括运用电阻，则每个输入端的偏置电流乘以相应的电阻发生的电压差错会在输出端抵消，因此也能够抵消ICMR差错。例如，假如设置的扩大器增益为10，顺便900 Ω反应和100 Ω接地电阻，则在正输入端安顿串联的90 Ω（900Ω||100Ω）电阻即可抵消彻底持平的输出偏置电流发生的电压差错。大多数双极性运算扩大器的偏置电流调配都很恰当，使得选择0.1%（而不是常见的1%）电阻即可完成最佳ICMR按捺。在图4中，补偿电阻与反相输入端-input串联放置。它们应能够被旁路经过。因为额定的输入电阻会导致噪声添加（电流噪声乘以衔接的等效电阻）。
反相增益让咱们能够运用包括轨到轨输入的运算扩大器，而不用让信号穿过切换点（假定咱们已偏置电源和共模输入电平，以防止切换电压）。
9 电源留意事项
输出电流将会调理本地的供电电源。电源信号将经过PSRR传输到输入端。被影响的输入会生成输出信号，环绕其环路运转。在1 kHz频率下，1μF本地旁路电容的阻抗为159 Ω，远低于电源之间线路加上电源自身的阻抗。因此，本地旁路电容实践上在低于100 kHz的频率下没有作用。在1 kHz频率下，调控状况由长途电源操控。在1 kHz频率下，扩大器或许到达90 dB电源按捺比。请留意，运算扩大器电源端口的大部分电流包括了很多的信号谐波，所以咱们期望从输出到供应电源的增益低于30 dB，以完成120 dBc的方针。要完成30 dB的增益，需求电源阻抗<30×负载阻抗。因此，500 Ω负载需求电源的阻抗小于17 Ω。这种状况可行，可是这样就不能在电源与运算扩大器之间串联电阻和电感。在10 kHz频率下，要求则愈加严厉；PSRR将从90 dB降至70 dB，而电源阻抗则有必要降至1.7 Ω。可行，但要求苛刻。运用大型本地旁路可供给协助。
从布局视点来看，了解输出电流环路的途径十分重要，如图9所示。
图9左边的图表显现了驱动至负载的正电源电流，然后又经过地上回归负载。在整个接地途径中或许存在压降，以致于偶谐波电源电流的电压从信号源降至输出，从反应分频器降至输出或输入地。不过，此地非彼地。图9右侧显现了一种传输电源电流的更好办法。电源电流从输入和反应节点传出。
在高于100 kHz的更高频率下，电源线路的磁辐射或许成为失真来历。电源的偶谐波电流可经过磁性办法耦合到反应网络的输入，然后使失真随频率大幅添加。在这些频率之下，审慎的布局至关重要。有些扩大器选用的对错规范引脚；它们的电源引脚远离输入，有些乃至会在输入侧供给额定的输出端口，以防止磁搅扰。
10 削减负载为主的失真
在高负载环境下，许多运算扩大器的输出级都会成为首要的失真来历。您能够经过一些技巧来改进负载失真。其一，运用复合扩大器，即一个扩大器驱动输出，另一个扩大器进行操控，如图10所示。
此电路经过LTspice仿真规划完成。LTC6240和LT1395的spice模型文件中包括失真回放功用的宏模型。大多数宏模型都不会测验显现失真状况，即便显现，仿真成果也或许不精确。该东西（LTspice）可检查宏模型的文本文件，的确如此，这些宏模型的失真模仿作用十分不错。
图10右侧是LTC6240，供给的增益为2，驱动电阻为100 Ω，关于该扩大器而言负载较大。图10左边是一款复合扩大器，输入端另设一个LTC6240，并有一款杰出的宽带电流反应扩大器(CFA)作为独立扩大器来驱动相同的负载。复合扩大器的理念是，输出运算扩大器已具有适度的低失真，而且经过输入扩大器在频率范围内的环路增益可进一步削减该失真。关于独立扩大器和复合扩大器，咱们的闭环增益都为2，但在复合扩大器中，能够对LT1395独自设置其自身的增益（经过R f1 和R g1 设置为4），以下降操控扩大器的输出摆幅。因为输入引发的失真随输出振幅的平方添加，由此可进一步削减操控运算扩大器的失真。
图11显现了10 kHz、4 V p-p输出的频谱。
谐波失真的核算办法为：每个谐波电平(dB)减去基波电平（在10 kHz频率下）。如图底部所示，输入信号的失真约为–163 dBc，十分好，足以让人信任模仿作用。V(out2)来自于独立的LTC6240，失真为–78 dBc。也不错，但当然没有到达10 -6 级。
图11顶部显现了复合扩大器的失真，–135 dBc，适当超卓。这么好的成果，咱们能否信任？为了加以验证，中心部分显现了原理图上节点的失真。假如复合扩大器输出端的失真接近于零，但输出扩大器自身的失真的确有限，那么反应进程会在其输入端（中心）为输出扩大器失真设置负值。中心部分的失真为–92 dBc，这实践上与LT1395数据手册的曲线匹配！假如宏模型中体现出物理LTC6240输入CMRR或ICMR曲率，它们或许还会添加实践的电路失真。
惋惜的是，很少有宏模型包括失真。您有必要阅览宏模型.cir文件的标题来检查其是否受支撑。要了解失真是否与数据手册的曲线匹配，需求进行一些模仿。
复合扩大器的补偿或许有点扎手，但在咱们的示例中，第2个扩大器的带宽比输入扩大器高出10倍以上，只需少量C f 即可供给电路补偿。在此补偿架构中，假如操控扩大器的整体增益中包括BW的带宽，那么输出扩大器的带宽应>3×BW，而整体带宽应保存设置为约等于BW/3。
为防止带宽损耗，能够运用增强扩大器的办法。这样比较复合计划对失真的改进较小，但带宽及树立时刻都会毫发无损。图12显现了测验原理图。
图12右侧显现了U2，即咱们的独立LTC6240；左边显现了两个LTC6240扩大器。U1同独立扩大器相似，操控输出，增益为2；U2的增益为3。U2在增强节点的输出电压大于U1的相应电压，所以U2会向输出端驱动运送电流。R BOOST 和U2的增益能够装备，以使U2向Rl驱动运送96%的负载电流，并使U1坚持轻载，然后改进失真。咱们需求保证U2包括满足的裕量，以承载额定的摆幅。
LTC6240在kΩ范围内的负载失真首要为输入失真，但关于100 Ω负载则首要为输出级失真。
图13显现了频谱成果。
相同，独立扩大器在10 kHz频率下的失真为–78dBc。增强型扩大器供给的失真为–106 dBc；不像复合扩大器那么好，但比独立扩大器简直高出30 dBc。不过，增强型扩大器的带宽只会下降少量。
请留意，R BOOST 微调了一下；假如将其改为52±2 Ω，增强型失真则下降10 dBc，但随后发生的改变则较小，最高为±10 Ω。好像U1有一些预期极性的适度负载。抱负（无负载）或额定的增强电流会导致失真添加。
最好是，U2与U1有相同的群组推迟，以使增强信号与输出一起呈现。U2的增益比U1高50%，因此闭环带宽较少，这意味着增强输出会是频率范围内的首要输出推迟。经过跨接在U1输入端的电阻，可将U1的带宽降至与U2相同的水平。这样可使U1的噪声增益等于U2，然后完成相同的群组推迟。该模仿器在10 kHz频率下没有改进；U1供给最佳失真，无推迟均衡。您需求测验一下，才干了解在更高的频率下是否也是这种状况。假如扩大器为电流反应类型，那么能够经过下降R f1 和R g1 使U2的带宽升至U1的水平。
11 10 -6 级质量
扩大器引荐有些扩大器的参数或许不符合10 -6 级失真的产品，最易于运用的更好的产品为AD8597、ADA4807、ADA4898、LT1468、LT1678和LT6018。
ADI有些扩大器需求处理其输入问题（同相扩大运用或许存在问题），但仍能供给杰出的失真，例如AD797、ADA4075、ADA4610、ADA4805、ADA4899和LTC6228。
12 定论
惋惜的是，商用型10 -6 精度扩大器难以找到（假如能够找到）。市场上存在10 -6 线性扩大器，但有必要留意这些扩大器的输入电流，它们或许会经过电路中的运用阻抗发生失真。这些阻抗能够下降，但在反应中驱动它们会导致运算扩大器输入端发生失真的危险。在特别低的输入电流和变化环境下运用运算扩大器，能够经过调整电路中的运用阻抗以使运算扩大器取得最佳失真，但这样会添加体系噪声。要到达10 -6 级线性度和噪声，需求仔细选择运算扩大器并优化运用电路。(全文完)
作者简介：
Barry Harvey，硕士，具有20多项专利，曾担任模仿IC规划人员，担任规划高速运算扩大器、基准电压源、混合信号电路 、视频电路、DSL线路驱动器 、DAC 、采样坚持扩大器 、倍增器等。
本文来历于科技期刊《电子产品世界》2019年第12期第24页，欢迎您写论文时引证，并注明出处。
