精密運(yùn)算放大器技術(shù)特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要點(diǎn)

精密運(yùn)算放大器一般指失調(diào)電壓低于1mV的運(yùn)放并同時(shí)強(qiáng)調(diào)失調(diào)電壓隨溫度的變化漂移值要小于100?V。對(duì)于直流輸入信號(hào)，VOS和它的溫漂足夠小就行了，但對(duì)于交流輸入信號(hào)，我們還必須考慮運(yùn)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(yùn)放用雙極(Bipolar)技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)，隨著現(xiàn)有的很多產(chǎn)品采用電池供電，低功耗設(shè)計(jì)越來(lái)越重要，傳統(tǒng)的精密運(yùn)放在功耗和軌對(duì)軌(rail to rail)輸出特性已不能滿足市場(chǎng)的需要，而且傳統(tǒng)的精密運(yùn)放還有一個(gè)致命的缺點(diǎn)就是需要負(fù)電源供電，這在很多產(chǎn)品的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中是不能容忍的。因而市場(chǎng)呼喚低功耗、低噪聲、高速大帶寬、軌對(duì)軌輸出特性的精密運(yùn)放，于是CMOS設(shè)計(jì)技術(shù)成為首選，相關(guān)高精密運(yùn)算放大器應(yīng)運(yùn)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(hào)鏈處理越來(lái)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(yùn)算能力，DSP處理器將在數(shù)字域?qū)π盘?hào)進(jìn)行處理，比如信號(hào)的濾波、調(diào)制與解調(diào)、算法處理等等，以前用硬件實(shí)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(duì)前級(jí)的運(yùn)放提出了很高的要求。我們知道一個(gè)系統(tǒng)輸入級(jí)的噪聲性能往往決定了一個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成敗，若運(yùn)放噪聲性能不好，DSP處理器功能再?gòu)?qiáng)大也不行。輸入級(jí)運(yùn)算放大器成為這種信號(hào)處理結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵點(diǎn)，只有高速、低功耗、低噪聲、大帶寬、高輸入阻抗、軌對(duì)軌輸出特性的精密運(yùn)放才能勝任。

圖1: 模擬信號(hào)鏈處理過(guò)程示意圖。

新型傳感器層出不窮，對(duì)大部分傳感器而言，其輸出信號(hào)主要在低頻端，而且信號(hào)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(hào)幅度在2mV左右，應(yīng)用中和它們接口的運(yùn)算放大器必須是精密運(yùn)放。CMOS技術(shù)設(shè)計(jì)的運(yùn)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(jì)需要的性能指標(biāo)，CMOS設(shè)計(jì)技術(shù)需要在電路上進(jìn)行特別的處理，比如自動(dòng)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。