Barry Harvey （ADI公司）
摘 要：工业和医疗规划推进产品的精度和速度日益进步。模仿集成电路职业全体能够跟上速度的开展要求，但在精度要求上却有所缺乏。许多体系都竞相迈入1.0×10-6 精度之列，特别是现在，1.0×10-6 的线性ADC日益遍及。本文将介绍运算放大器的精度局限性，以及怎么挑选为数不多的有或许到达1.0×10-6 精度的运算放大器。别的，咱们还将介绍一些针对现有运算放大器局限性的运用改进。
关键词：运算放大器；精度；线性度
精度（Accuracy）与数值相关：体系特性与肯定实在数值之间的距离。精细（Precision）是以数字方法标明的数值深度。在本文中，咱们将运用精度一词，它包括噪声、偏移、增益差错和非线性度等体系丈量的一切约束。许多运算放大器的某些差错在10-6量级，但没有个运算放大器的一切差错都到达了10-6量级。例如，斩波放大器可供给10-6 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杰出的线性度，但其输入电流仍或许导致内部电路差错（关于内部电路，咱们将运用“运用”一词）。MOS放大器具有超卓的偏置电流，但一般在低频噪声和线性度范畴存在缺点。
在本文中，咱们将在转化函数中运用大致适当于1.0×10-6 的非线性度表现谐波失真的–120 dBc失真。
1 非ppm放大器类型
让咱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1~50 µA规模内，而且1/f噪声功用一般较差。抱负的直流精度在0.3%~0.1%之间，但沟通失真能够介于–55~–90 dBc（线性度：2000 ppm至30 ppm）之间。
下一项分类是传统经典运放规划，例如OP-07，或许具有高增益、CMRR、PSRR以及杰出的失调电压和噪声功用，但其失真却无法优于–100 dBc，特别是在到达1 kΩ或更高负载的状况之下。
然后，还有一些或新或旧的廉价放大器，其失真在负载逾越10 kΩ的状况下都无法优于–100 dBc。
此外，还有音频放大器类运算放大器。它们适当实惠，且失真表现或许非常好。可是，它们的规划不合适且不能供给杰出的失调电压和1/f噪声功用。此外，他们的失真或许在大于10 kHz后也不能变得更好了。
有些运算放大器旨在支撑MHz信号的线性度。它们一般为双极性，并具有较大的输入偏置电流和1/f噪声。在该运用范畴，运算放大器更多寻求的是–80~–100 dBc程度的功用，完成10-6 功用不太实践。
不管宽带及压摆率多大，电流反应放大器也不能支撑深线性度，乃至是适度的精度。它们的输入级有许多差错源，而且增益、输入和电源按捺功用都不高。电流反应放大器还具有热漂移效应，会大幅拓宽正常的树立时刻。
然后，咱们具有现代的通用型放大器。它们一般具有1 mV的偏移和微伏级1/f噪声。支撑–100 dBc失真，但在高负载时一般无法完成。
2 运算放大器的差错源
图1显现的是简化的运算放大器框图，并添加了沟通和直流差错源。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。虽然有许多运算放大器拓扑，但所示的差错源对它们悉数适用。
3 输入噪声
有的输入噪声电压 V NOISE 包括宽带和1/ f 频谱成分。假如噪声的起伏相似或逾越体系LSB，则无法精确地丈量信号。例如，假如宽带噪声为6 nV/√Hz，体系带宽为100 kHz，那么输入端的有效值噪声则会到达1.9 µV。咱们能够运用滤波器来下降噪声：例如，将带宽降至1 kHz可使噪声降至0.19 µV rms或1 µV p-p（峰峰）左右。频域的低通滤波可下降噪声起伏，就像ADC输出随时刻推移而均匀化相同。
不过，因为速度太慢，1/ f 噪声实践上无法过滤或均化。1/f噪声一般运用0.1~10 Hz频谱规模内生成的峰峰值电压噪声表现。大多数运算放大器的低频噪声都介于1~6 µV p-p之间，因此不太合适对直流精度要求高的10-6 等级，特别是在供给增益的状况下。
图2显现的是优秀的高精度放大器(LT1468)的电流和电压噪声。
在图1的输入端，还有偏置电流噪声源 I NOISE+ 和I NOISE- 。它们包括宽带和1/f频谱成分。I NOISE 乘以等效电阻会发生更多输入电压噪声。一般来说，同相端和反相端的两个电流噪声之间互不相关，不会跟着两头输入电阻值持平而抵消，而是以rms方法添加。 I NOISE 乘以输入等效电阻发生的噪声电压常常会逾越1/f区的V NOISE 。
4 输入共模按捺和偏置差错
下一种差错源是。这表现在共模按捺比目标参数上，其间失调电压会跟着相关于两个供电轨的输入电平而改变（所谓的共模电压， V CM ）。运用的符号指示箭头方向的电源相互影响，经过它的分割线标明其可变，但或许是非线性改变。CMRR对信号的首要影响在于使线性部分与增益差错无法区别。非线性部分将会失真。图3显现了LT6018的CMRR。添加的线与CMRR曲线在该曲线分解到过载之前的极点相交。该线的斜率供给的CMRR = 133 dB。规模每相差30 V，CMRR曲线与抱负线之间的差错仅约为0.5µV，标明10 -6 以下等级的输入非常成功。其他放大器的曲率或许更大。
失调电压(V OS )将归入此处的CMRR。斩波放大器的输入失调电压低于10 µV，相关于2~10 V p-p的典型输入信号，挨近于单10-6 差错。乃至，最佳ADC的失调电压一般会多达100 µV。所以，10 µV级的失调电压不会对运算放大器自身构成太大的担负；不管怎么，体系自身会主动调零。与输入信号的共模电平相关的是 l CMRR ，即输入偏置电流及其随电源的改变状况。断线标明偏置电流会随电压改变，而且也或许不是线性改变。共有四个l CMRR ，因为两个输入端有独立的偏置电流和电平相关性，而且每个输入端随两种电源的改变不同。l CMRR 乘以运用电阻的阻值会添加电路的全体失调电压。图4显现了LT1468的偏置电流与V CM （l CMR 规范）。添加的线所示的斜率为大约8 nA/V，在运用1 kΩ运用电阻或低百万分之一差错的状况下将为8 µV/V。它与直线的差错约为15 nA，由此在1 kΩ运用环境下会在26 V规模内发生15 µV的差错，或非线性度达0.6×10 -6 。
5 输入级失真
图1显现了输入级，它们一般是由一对差分晶体管规划成跨导电路。图5顶部显现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。咱们模仿一个简略的双极性对、一个跨线性电路（咱们称之为“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）和一个逾越阈下区域而进入平方律机制运转的小型MOS对。运用100 μA的尾电流模仿一切差分放大器。
在显现图5底部所示的跨导与V IN 之前，清晰的信息不多。跨导(gm)是输出电流相关于输入电压的导数，运用LTspice®模仿器生成。语法傍边包括 d ()，其在数学上等同于d()/d(V INP )。gm的非平面度即运算放大器在频率下的根本失真机制。
关于直流，运算放大器的开环电压增益约为gm(R1||R2)，但条件是输出缓冲区增益大约1。R1和R2标明信号途径中各种晶体管的输出阻抗，每个电阻均连接到一个供电轨或其他单元。这便是运算放大器中增益受限的根底。R1和R2不能确保为线性；它们或许导致空载失真或非线性度。除线性度之外，咱们需求增益到达或逾越100万，才干完成10-6 级的增益精度。
调查规范双极性晶体管曲线，咱们能够看到它在该组中的跨导最高，但该跨导会跟着输入从0 V开端改变而快速衰退。这一点让人忧虑，因为线性度的根本要求便是增益或gm稳定。另一方面，谁会在乎放大器的电压增益如此之高，以至于差分输入随输出电压的伏特级添加只能完成微伏级添加？下面是CCOMP。
CCOMP（CCOMPP和CCOMPM的平行线）会吸收gm在频率规模内的大多数输出电流。它可设定放大器的增益带宽乘积(GBW)。GBW可设定：在频率f下，放大器的开环增益为GBW/ f 。假如该放大器在f= GBW/10时的输出为1 V p-p，闭环增益为10，那么输入之间将有100 mV p-p。也便是，平衡±50mV。请注意，图5中显现的规范双极性曲线在±50mV时损耗了约一半的增益，然后确保了大规模失真。不过，智能双极仅损耗了13%的增益，阈下MOS损耗了26%，退化双极损耗了12%，平方律MOS损耗了15%。
图6显现了输入级的失真与振幅。在运用电路输出时将显现这些信息（乘以噪声增益）。输出失真能够持续添加，但不能削减。
除智能双极的输入级之外，输入级的差分放大器显现失真与输入的平方成正比。在增益共同的运用中，输出失真与输入失真的影响相同。这是大多数运算放大器的首要失真来历。
请考虑一个选用双极输入的增益共同的缓冲区。
若输出 V OUT 峰峰值电压，输入差分信号将为
咱们预算
和
其间，G NOISE 为运用的噪声增益。
1×10-6 非线性度适当于–120 dBc谐波失真，份额为0.0001%。假定一个放大器运用双极性输入级，GBW为15 MHz，作为缓冲区的输出为5 V p-p，经过方程式2可得知该线性度的最大频率仅为548 Hz。上述的假定条件是放大器在较低频率下的线性度最低。当然，当放大器供给增益时，噪声增益添加，且–120dBc的频率会下降。
阈下MOS输入级支撑的–120 dBc频率最高为866Hz，平方律MOS最高支撑1 342 Hz，退化双极最高支撑1 500 Hz。智能双极的失真不符合猜测形式，人们有必要依据数据手册进行预算。
咱们能够运用更简略的公式
其间，K可从运算放大器数据手册的失真曲线中找到。
附加一点，许多运算放大器都是运用轨到轨输入级。大多数放大器经过两个独立的输入级都能完成此功用，即在输入共模规模内，不同输入级之间能够转化。这种转化会导致失调电压改变，还或许导致偏置电流、噪声乃至带宽改变。此外，根本上还会导致输出时呈现开关瞬变现象。假如信号总是穿过交越区，那么则不能对低失真运用运用这些放大器。不过，关于相反的运用场合能够运用它们。
咱们还没有评论压摆增强型放大器。这些规划在差分输入较大的状况下不会耗尽电流。惋惜的是，差分输入较小的场合仍会导致gm呈现与所评论的输入起伏相似的改变，而且低失真仍需求有较大的频率环路增益。
因为咱们要寻觅的是10-6 级的失真度，所以咱们不会以挨近压摆率限值的任何方法运转放大器，所以非常反常的压摆率不是10-6 级频率线性度的重要参数，只考虑GBW即可。
前面，咱们评论了单极补偿规划形式的开环增益。并不是一切运算放大器都以该方法供给补偿。一般，开环增益可从数据手册的曲线中找到，而方程式中的GBW/(G NOISE× fSIGNAL)便是频率的开环增益。
6 增益节点差错
接下来，咱们来看图1中的R1和R2。这些电阻连同输入gm供给放大器的开环直流增益：gm ×(R1||R2)。原理图中制作的这些电阻带有可变的非线性删去线。这些电阻的非线性度表现了放大器的空载失真度。而且，R1会从正电源施加影响，以致于直流正电源电压按捺比(PSRR+)约等于gm × R1。同理，R2担任PSRR–。请注意，为什么PSRR的起伏简直等于开环增益？CCOMPP和CCOMPM向R1和R2注入相似的电源信号；它们在频率规模内设置PSRR+和PSRR–。
增益适度(<<106)的放大器的线性度或许很好，但适度增益会约束增益精度。
电源端口或许会导致失真。假如输出级驱动的负载较大，其间某个电源就会供给负载电流。在必定频率下，远端电源的长途调制能力或许很小，以至于运算放大器的旁路电容成为实践的电源。经过旁路电容后，电源电流下降。下降起伏取决于ESR、ESL和电抗，而且它们会构成电源搅扰。因为输出为AB类，所以只要一半的输出电流波形会调制电源，构成平稳的谐波失真。频率规模内的PSRR可下降电源搅扰。例如，假如咱们调查到电源搅扰为50 mV p-p，并期望PSRR按捺电源输入搅扰使其在输出端降至低于5 µVp-p，则PSRR在信号频率下需到达80 dB。预算PSRR( f )~Avol( f )，GBW为15 MHz的放大器在低于1 500 Hz的频率下则会具有足够的PSRR。
7 输出级失真
图1中的最终一项是输出级，输出级在本文中被视为缓冲区。图7展现了一个典型的输出级转化函数。关于不同的负载，咱们可看到4种差错。首先是削波：虽然假定该输出级的标称增益为1，但它不完满是轨到轨输出级。这种状况下，乃至空载输出时，每个电源轨也会削波100 mV。跟着负载添加（下降负载电阻），输出电压会逐渐削减。显着，削波会严重影响失真，而且有必要下降输出摆幅才干防止削波。
下一种差错是增益紧缩，当转化函数的曲率到达信号极限状况时，咱们会看到这种现象。跟着负载添加，在电压前期阶段就会呈现紧缩。同削波相同，在这种机制下，一般无法完成10-6 级失真。这种紧缩一般是由输出级较小而难以满意输出需求的电流所造成的。最好的解决方案是，使放大器供给的线性、无紧缩最大输出电流仅约为输出短路电流的35%。
另一种显着的失真来历在于交越区约为 V IN = 0。空载时，交越扭结或许不那么显着。但跟着负载添加，咱们可看到绿色曲线的扭结添加。预算交越失真一般需求强壮的电源电流。
最终一种失真比较难以了解。因为有些放大器电路输出正电压和电流，还有一些输出负信号，所以无法确保它们具有相同的增益，特别是在带负载时。图7显现了负载时负信号的增益削减状况。
经过环路增益可下降一切这些失真。假如输出级的失真为3%，那么环路增益需求为30 000才干到达–120 dBc电平。当然，这种状况会发生在GBW/(30 000×G NOISE )频率以下，关于15 MHz的放大器一般为1 kHz机制。
有些输出级的失真与频率有关，但也有许多输出级与频率无关。开环增益可按捺输出级失真，但该增益会随频率而下降。假如输出失真不随频率而改变，则增益损耗会发生输出失真，并随频率而线性添加。一起，输入失真会导致全体输出失真随频率而添加。这种状况下，全体闭环输出失真或许首要为输入失真，然后掩盖输出级失真的影响。
另一方面，假如输出级失真的确随频率而线性改变，那么环路增益下降除导致输入失真之外，还会导致另一种输出失真，该失真随频率的平方而改变，而且无法与输入失真区别开来。
低功耗运算放大器包括的输出级一般较少，静态电流低。输出失真或许首要是由这些放大器的输出级导致，而不是输入级。所以，至少需求2 mA电源电流才干取得低失真运算放大器，这种说法必定程度上是正确的。
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，担任规划高速运算放大器、基准电压源、混合信号电路、视频电路、DSL线路驱动器、DAC、采样坚持放大器、倍增器等。
（未完，待续）
本文来历于科技期刊《电子产品世界》2019年第11期第25页，欢迎您写论文时引证，并注明出处。
