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摘要通过分析集成放大器的放大精准度,说明集成放大器产生误差因素,针对这些误差因素提出利用截波器来提高放大器整体精度的效果。在分析截波器的特性后,对其频带宽度较低的缺点,给出集成截波器以增进增益频带宽度。
中图分类号:TN4文献标识码:A
在许多电路中,须将很小的讯号精准地放大,以提高电路在输出或后续电路输入的信号质量,如温差电偶与热电堆的测量便是很好的例子。为了精确地放大这些低电压的讯号,讯号放大器的偏移电压与干扰必须足够低,以避免在产生的讯号上增加明显的误差。
1 集成放大器误差产生的原因
讯号的精准放大或放大器的精准度,都可以由下面的方程式来定义:
(公式一)
其中:eid:放大器的精准度,eo:输出电压,AVOL:开放式回路增益,VOS:偏移误差,IB+(IB-):正(负)端输入偏压电流,RS+(RS-):正(负)端源电阻, eCM :共享模电压,CMRR :共享模抑制率
这就意味着,集成放大器误差是因不理想的放大器输入导线之间的差动电压不等于零以及下列几项因素所产生。
(1)开放式回路增益。较高的开放式回路增益可以达到较高的精准度。那也就是为什么精准的放大器通常需要超过100dB的增益,以使产生误差率降至最小。
(2)偏移误差或偏移电压。这是高增益放大器中一个主要的误差来源。
例如,一个拥有-100dB增益的反向放大器就可能会有1mV的偏移电压。这时,拥有毫伏特等级偏移电压的放大器便是一个很好的零件。在增益为100dB的情况下,输出将会出现0.1V的误差;如果放大器的增益为1000dB,那么便会有1伏特的误差。此外,安置在系统上的每一个放大器,其补偿电压都会不一样。这种情况应该避免,因为应用设备的精准度会因采用不同的放大器而有很大的差异。
(3)高增益放大器中的噪声①也会影响精准度。(图1)便是运算放大器频域中的典型噪声图表。噪声成份在直流的频段时最高,然后它便会随频率上升而下降并形成一个角,也就是l/F角。放大器的1/F角频率为放大器中半导体装置的物理特性而产生的闪烁噪声频率,且等于放大器的宽频噪声。在较低的频率下,闪烁噪声会是主要的噪声来源,并随着直流接近而增加。因此,l/F角是一个关键点,当某些运算放大器声明其拥有低噪声特色时,例如含有低噪声的声音放大器,几乎都要求低1/F角,而且最好能够低于20赫兹。
图1放大器频域中典型噪声图
(4)放大器输入管脚中的偏压电流。例如,在JFET输入放大器中,电流非常的低,但是当放大器温度偏高时,输入管脚的电流有所提高。在环境温度较高时,JFET便会表现得像是NPN或PNP一般。
(5)共享模抑制率。运算放大器中有一个正极电源供应电压与一个负极供应电压。通常负极电源供应电压都会接地。共享模电压为相对于运算放大器正负电源电压的中间值。
举例来说,如果有一部以5伏特电压运作的运算放大器,并且有接地的话,那么共享模电压为零便表示该两根电源管脚的中间电压为完美的2.5伏特。共享模抑制率(CMRR)会在输入管脚上的电压不稳定时(正极电源供应电压偏高或负极电压偏低),将表现出补偿特性。运算放大器一般适合于在中间电压操作,如果放大器有好的共享模抑制率,那么即使两根输入管脚在顶端向上提升,或是在底端向下降低,仍然可以从放大器取得精确的输出。
2 采用截波器②(chopper)
图1为运算放大器的典型噪声图表,而图2则是截波放大器的典型噪声图表。
设计截波器的目的,是为了能够将其输入端的偏移电压与输出端的低频率噪声降到最低;但是代价却是因截波器的时脉噪声而导致的低运作频宽。
图2截波放大器的典型噪声图
根据上面的的噪声示图可以看出,直流端的偏移与噪声已经非常明显地降低,而噪声曲线也将降到很低的数值。在实际应用的情况下,其效果也与实验结果相一致,而且不会产生突然的快速变化。
采用截波器虽然可以大幅增进直流效能,但其相应的代价是放大器的断路频率会产生很大的噪声。不同制造商所制造的放大器,其断路频率都会不一样。某些特别规格的截波器断路频率可能低到只有数百赫兹,而大多数截波器则可能高达数万赫兹。
3 截波器技术
截波器是如何降低其偏移电压的呢?下面就以图2为例来加以说明。
图2(a)则是新增到交流放大器输出上的一对开关器。这两个开关器是以并联的方式来运作。初始状态下,运算放大器以下面的输出管脚接地,当该对管脚被切换过来时,上面的管脚便会接地。这样的来回切换开关器,就是在切换输出的极性。
在这种以固定频率交变的过程中,任何补偿电压与极低频率的噪声都会被转换成交流讯号Vos。当开关器位于其中一个位置时,交流讯号会是+Vos,而当它位于另一个位置时则会是-Vos。因此在这种情况下可以很容易地过滤出噪声。但是,输入放大器的任何讯号也都将会被来回切换,这样就对信号的输出带来了困扰。
解决这个困扰的方式,便是在放大器的输入端安置同步开关器。图2(b) 那些开关器是互相以并联的方式来运作的,并且与输出端的开关器同步。
藉由将那些开关器安置在输入端,就可以同步切换输入讯号的极性,使输入端相等于其在输出端的极性。例如,一个+1V的输入会在放大器的另一端维持为+1V。但是,在放大器输入端的输入开关右边产生的补偿电压,其极性将会被切换,就如同圖2(a)所示。
所以,如果有一个增益为-A的放大器,就可以看到直流讯号在放大器的输出扩大为Vin€祝ǎ瑼)。直流讯号将会在没有偏移误差的情况下通过截波器,除了其顶端的小方波之外。
为了将该小方波(小的高频率成份)从大的直流讯号上移除,可以使用如图2(c)所示的RC滤波器。于是就可以获取精确直流讯号的精确代表性波形。此外,这种截波器结构不仅仅只降低直流偏移电压,也会降低低频率(极端的低频率)噪声,它会将1/F角降低到零。
4 集成截波器以增进增益频宽
当截波器精准地将直流的讯号放大时,整体来说,也有响应频率不足的现象,但仍会以单一放大器的方式来运作。为了增进放大器频率响应的精准度,目前已经出现了几种结合架构。「集成」一词表示将拥有不同特性的两个放大器集成在一起,以增进放大器的效能。
其中一种架构是将一个简单的截波器当作运算放大器的auto-nuller来使用。该截波器便会「偏压调整」运算放大器的输入。
而在另一个架构中,截波器则是扮演伺服补偿③的角色,其输出便会调整第二部放大器的输入阶段。(这与透过以8管脚DIP方式封装的旧型运算放大器上的第八根管脚来调整输入偏压的方式是一样的。)
第三种架构则是双输入放大器。如下图便是双输入放大器中的两个放大器的组态。低偏移放大器会以直流放大器的方式来运作,而该直流放大器则因为具有截波器的优点而拥有低偏移效能。高速放大器则必须采用以增进增益频宽的放大器。
图3集成截波器-双输入放大器
现在来看看这两个放大器的响应频率。在高速放大器设计中,最难的部分便是让其响应频率上有一个支架,而不是一般放大器每10倍下降20dB(20dB/decade)的典型特性,必须将该支架置入放大器中,这样才可以让低补偿放大器的响应频率堆栈在上面。
5 结论
通过上面对放大器误差分析和截波器的高精确放大的特点,可以看出截波器在放大器领域的应用将更为广泛采用。提出集成截波器,将大大增强了放大器的讯号的精准度,也具有传统放大器响应频率,同时具有低补偿电压运作与较高的增益频宽,使得截波器的应用范围更广泛。
注释
①秦世才,贾香鸾.模拟集成电子学.电子工业出版社,1996.1.
②高德远,攀晓娅等.大规模集成电路-系统和设计原理.电子工业出版社,2003.7.
③黄建文,艾西加,孟红霞等.微电子电路设计原理及应用.微电子技术应用丛书,1999.7.
中图分类号:TN4文献标识码:A
在许多电路中,须将很小的讯号精准地放大,以提高电路在输出或后续电路输入的信号质量,如温差电偶与热电堆的测量便是很好的例子。为了精确地放大这些低电压的讯号,讯号放大器的偏移电压与干扰必须足够低,以避免在产生的讯号上增加明显的误差。
1 集成放大器误差产生的原因
讯号的精准放大或放大器的精准度,都可以由下面的方程式来定义:
(公式一)
其中:eid:放大器的精准度,eo:输出电压,AVOL:开放式回路增益,VOS:偏移误差,IB+(IB-):正(负)端输入偏压电流,RS+(RS-):正(负)端源电阻, eCM :共享模电压,CMRR :共享模抑制率
这就意味着,集成放大器误差是因不理想的放大器输入导线之间的差动电压不等于零以及下列几项因素所产生。
(1)开放式回路增益。较高的开放式回路增益可以达到较高的精准度。那也就是为什么精准的放大器通常需要超过100dB的增益,以使产生误差率降至最小。
(2)偏移误差或偏移电压。这是高增益放大器中一个主要的误差来源。
例如,一个拥有-100dB增益的反向放大器就可能会有1mV的偏移电压。这时,拥有毫伏特等级偏移电压的放大器便是一个很好的零件。在增益为100dB的情况下,输出将会出现0.1V的误差;如果放大器的增益为1000dB,那么便会有1伏特的误差。此外,安置在系统上的每一个放大器,其补偿电压都会不一样。这种情况应该避免,因为应用设备的精准度会因采用不同的放大器而有很大的差异。
(3)高增益放大器中的噪声①也会影响精准度。(图1)便是运算放大器频域中的典型噪声图表。噪声成份在直流的频段时最高,然后它便会随频率上升而下降并形成一个角,也就是l/F角。放大器的1/F角频率为放大器中半导体装置的物理特性而产生的闪烁噪声频率,且等于放大器的宽频噪声。在较低的频率下,闪烁噪声会是主要的噪声来源,并随着直流接近而增加。因此,l/F角是一个关键点,当某些运算放大器声明其拥有低噪声特色时,例如含有低噪声的声音放大器,几乎都要求低1/F角,而且最好能够低于20赫兹。
图1放大器频域中典型噪声图
(4)放大器输入管脚中的偏压电流。例如,在JFET输入放大器中,电流非常的低,但是当放大器温度偏高时,输入管脚的电流有所提高。在环境温度较高时,JFET便会表现得像是NPN或PNP一般。
(5)共享模抑制率。运算放大器中有一个正极电源供应电压与一个负极供应电压。通常负极电源供应电压都会接地。共享模电压为相对于运算放大器正负电源电压的中间值。
举例来说,如果有一部以5伏特电压运作的运算放大器,并且有接地的话,那么共享模电压为零便表示该两根电源管脚的中间电压为完美的2.5伏特。共享模抑制率(CMRR)会在输入管脚上的电压不稳定时(正极电源供应电压偏高或负极电压偏低),将表现出补偿特性。运算放大器一般适合于在中间电压操作,如果放大器有好的共享模抑制率,那么即使两根输入管脚在顶端向上提升,或是在底端向下降低,仍然可以从放大器取得精确的输出。
2 采用截波器②(chopper)
图1为运算放大器的典型噪声图表,而图2则是截波放大器的典型噪声图表。
设计截波器的目的,是为了能够将其输入端的偏移电压与输出端的低频率噪声降到最低;但是代价却是因截波器的时脉噪声而导致的低运作频宽。
图2截波放大器的典型噪声图
根据上面的的噪声示图可以看出,直流端的偏移与噪声已经非常明显地降低,而噪声曲线也将降到很低的数值。在实际应用的情况下,其效果也与实验结果相一致,而且不会产生突然的快速变化。
采用截波器虽然可以大幅增进直流效能,但其相应的代价是放大器的断路频率会产生很大的噪声。不同制造商所制造的放大器,其断路频率都会不一样。某些特别规格的截波器断路频率可能低到只有数百赫兹,而大多数截波器则可能高达数万赫兹。
3 截波器技术
截波器是如何降低其偏移电压的呢?下面就以图2为例来加以说明。
图2(a)则是新增到交流放大器输出上的一对开关器。这两个开关器是以并联的方式来运作。初始状态下,运算放大器以下面的输出管脚接地,当该对管脚被切换过来时,上面的管脚便会接地。这样的来回切换开关器,就是在切换输出的极性。
在这种以固定频率交变的过程中,任何补偿电压与极低频率的噪声都会被转换成交流讯号Vos。当开关器位于其中一个位置时,交流讯号会是+Vos,而当它位于另一个位置时则会是-Vos。因此在这种情况下可以很容易地过滤出噪声。但是,输入放大器的任何讯号也都将会被来回切换,这样就对信号的输出带来了困扰。
解决这个困扰的方式,便是在放大器的输入端安置同步开关器。图2(b) 那些开关器是互相以并联的方式来运作的,并且与输出端的开关器同步。
藉由将那些开关器安置在输入端,就可以同步切换输入讯号的极性,使输入端相等于其在输出端的极性。例如,一个+1V的输入会在放大器的另一端维持为+1V。但是,在放大器输入端的输入开关右边产生的补偿电压,其极性将会被切换,就如同圖2(a)所示。
所以,如果有一个增益为-A的放大器,就可以看到直流讯号在放大器的输出扩大为Vin€祝ǎ瑼)。直流讯号将会在没有偏移误差的情况下通过截波器,除了其顶端的小方波之外。
为了将该小方波(小的高频率成份)从大的直流讯号上移除,可以使用如图2(c)所示的RC滤波器。于是就可以获取精确直流讯号的精确代表性波形。此外,这种截波器结构不仅仅只降低直流偏移电压,也会降低低频率(极端的低频率)噪声,它会将1/F角降低到零。
4 集成截波器以增进增益频宽
当截波器精准地将直流的讯号放大时,整体来说,也有响应频率不足的现象,但仍会以单一放大器的方式来运作。为了增进放大器频率响应的精准度,目前已经出现了几种结合架构。「集成」一词表示将拥有不同特性的两个放大器集成在一起,以增进放大器的效能。
其中一种架构是将一个简单的截波器当作运算放大器的auto-nuller来使用。该截波器便会「偏压调整」运算放大器的输入。
而在另一个架构中,截波器则是扮演伺服补偿③的角色,其输出便会调整第二部放大器的输入阶段。(这与透过以8管脚DIP方式封装的旧型运算放大器上的第八根管脚来调整输入偏压的方式是一样的。)
第三种架构则是双输入放大器。如下图便是双输入放大器中的两个放大器的组态。低偏移放大器会以直流放大器的方式来运作,而该直流放大器则因为具有截波器的优点而拥有低偏移效能。高速放大器则必须采用以增进增益频宽的放大器。
图3集成截波器-双输入放大器
现在来看看这两个放大器的响应频率。在高速放大器设计中,最难的部分便是让其响应频率上有一个支架,而不是一般放大器每10倍下降20dB(20dB/decade)的典型特性,必须将该支架置入放大器中,这样才可以让低补偿放大器的响应频率堆栈在上面。
5 结论
通过上面对放大器误差分析和截波器的高精确放大的特点,可以看出截波器在放大器领域的应用将更为广泛采用。提出集成截波器,将大大增强了放大器的讯号的精准度,也具有传统放大器响应频率,同时具有低补偿电压运作与较高的增益频宽,使得截波器的应用范围更广泛。
注释
①秦世才,贾香鸾.模拟集成电子学.电子工业出版社,1996.1.
②高德远,攀晓娅等.大规模集成电路-系统和设计原理.电子工业出版社,2003.7.
③黄建文,艾西加,孟红霞等.微电子电路设计原理及应用.微电子技术应用丛书,1999.7.