運(yùn)算放大器性能參數(shù)的影響因素
中心議題:
- 學(xué)習(xí)運(yùn)算放大器性能參數(shù)的影響因素
- 電源排序及直流電源對(duì)輸入失調(diào)電壓的影響
解決方案:
- 通過(guò)線(xiàn)性穩(wěn)壓器實(shí)施追蹤分離電源
- 運(yùn)算放大器供電時(shí)使用單一正電源
本文闡述了直流偏置電源對(duì)敏感模擬應(yīng)用中所使用運(yùn)算放大器(op amp)產(chǎn)生的影響,此外還涉及了電源排序及直流電源對(duì)輸入失調(diào)電壓的影響。另外,本文還介紹了一種通過(guò)線(xiàn)性穩(wěn)壓器(一般不具有追蹤能力)輕松實(shí)施追蹤分離電源的方法,以幫助最小化直流偏置電源帶來(lái)的一些不利影響。
在許多運(yùn)算放大器電路中,直流偏置電源會(huì)影響運(yùn)算放大器的性能,特別是在與高位計(jì)數(shù)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)一起使用或者用于敏感傳感器電路的信號(hào)調(diào)節(jié)時(shí)。直流偏置電源電壓決定放大器的輸入共模電壓以及許多其他規(guī)范。
在上電期間,必須協(xié)調(diào)直流偏置電源的順序來(lái)防止運(yùn)算放大器鎖閉。這樣會(huì)毀壞、損壞或者阻止運(yùn)算放大器正常運(yùn)行。本文解釋了追蹤電源對(duì)運(yùn)算放大器的重要性,并介紹了一種利用通常不具有追蹤能力的線(xiàn)性穩(wěn)壓器輕松實(shí)施一個(gè)追蹤分離電源的方法。
給一個(gè)運(yùn)算放大器供電有兩種常見(jiàn)方法。第一種也是最簡(jiǎn)單的一種方法是使用一個(gè)單一正電源,如圖1(a)所示。第二種方法是使用一個(gè)分離(雙)電源(如圖1(b)所示),其同時(shí)具有一個(gè)正電壓和一個(gè)負(fù)電壓。這種分離電源在許多模擬電路中都非常有用,因?yàn)樗试S包括零電壓電位的輸入信號(hào)或者在正與負(fù)之間搖擺的輸入信號(hào)。
不管使用哪一種方法,輸入共模電壓都由電源電壓決定。輸入共模電壓只是兩個(gè)電壓的算術(shù)平均數(shù)。方程式1可用于計(jì)算輸入共模電壓,其中VP為正電壓軌的值,而VN為負(fù)電壓軌的值。就一個(gè)單電源系統(tǒng)而言,VN始終為零,因?yàn)檫\(yùn)算放大器的負(fù)電源軌連接到接地電位。
利用圖1所示數(shù)值,單電源運(yùn)算放大器具有一個(gè)7.5V的輸入共模電壓,而分離電源運(yùn)算放大器有一個(gè)0V的輸入共模電壓。
一些運(yùn)算放大器可以工作在單電源結(jié)構(gòu)也可以工作在分離電源結(jié)構(gòu)中。一些運(yùn)算放大器甚至可以同非對(duì)稱(chēng)分離電源(VP大小與VN不等)一起工作。所有情況下,設(shè)計(jì)人員都需要驗(yàn)證運(yùn)算放大器是否能夠支持期望的電源配置結(jié)構(gòu)。
另外,許多運(yùn)算放大器都具有使用分離電源的特點(diǎn)。因此,如果一個(gè)運(yùn)算放大器專(zhuān)為單電源結(jié)構(gòu)中分離電源運(yùn)行而設(shè)計(jì),則可能會(huì)存在一些性能差異。
使用對(duì)稱(chēng)分離電源時(shí),正負(fù)電壓必須互相追蹤,特別是在電路初次上電時(shí)。追蹤電源是一種調(diào)節(jié)其輸出電壓至另一個(gè)電壓或信號(hào)的電源。對(duì)于大多數(shù)運(yùn)算放大器而言,正電源電壓與負(fù)電源電壓始終應(yīng)該大小相等而極性相反。
另外,您也可以對(duì)負(fù)電源進(jìn)行調(diào)節(jié),使其與正電源大小相等而極性相反。兩種方法都會(huì)產(chǎn)生相同的上電波形。
如果兩個(gè)電源并非大小相等而極性相反,則運(yùn)算放大器可在上電期間鎖閉。鎖閉可能會(huì)毀壞、損壞或者阻止運(yùn)算放大器正常運(yùn)行。
圖2顯示了一個(gè)典型運(yùn)算放大器電源電路的示意圖。此處,一個(gè)開(kāi)關(guān)電源提供一個(gè)正18V和一個(gè)負(fù)18V。兩低壓降(LDO)線(xiàn)性穩(wěn)壓器進(jìn)一步將±18V調(diào)節(jié)至±15V。該LDO一般安裝在電源和運(yùn)算放大器之間,旨在降低開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的高頻開(kāi)關(guān)噪聲。LDO具有較高的電源抑制(以比率表示,PSRR),其減弱了寬帶頻率下LDO輸入的噪聲。
這樣可幫助向運(yùn)算放大器提供低噪聲電源。運(yùn)算放大器還具有自己的PSRR,其一般在80dB以上。然而,運(yùn)算放大器僅在數(shù)千赫茲帶寬時(shí)具有高PSRR,因此LDO用于提供高達(dá)數(shù)百千赫茲帶寬的高PSRR。
圖2所示電路本身沒(méi)有追蹤能力。在上電期間,無(wú)法保證每個(gè)LDO與另一個(gè)LDO大小相等而極性相反。上電期間每個(gè)LDO的輸出電壓都由所有軟啟動(dòng)電路、限流、負(fù)載電容、負(fù)載電流以及輸入電壓決定。
因此,在啟動(dòng)時(shí)兩個(gè)電壓大小不同而極性也不相反是有可能的。另外,LDO上電并提供穩(wěn)態(tài)的DC輸出以后,它們?nèi)匀挥锌赡艽笮〔坏?,因?yàn)槊總€(gè)LDO都具有其自己的輸出電壓精度,而且反饋電阻會(huì)因其容差而稍微不同。
除上電期間的鎖閉問(wèn)題以外,如果每個(gè)電源的最終工作DC電壓隨時(shí)間而變化,則電源會(huì)對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生影響。電源輸出會(huì)因線(xiàn)電壓、負(fù)載電流變化和溫度變化而不同。電源輸出會(huì)在其精度規(guī)范內(nèi)有所不同,其一般為額定輸出電壓的3%到5%。
盡管這些電源電壓的變化很小,但卻會(huì)改變運(yùn)算放大器的輸入共模電壓點(diǎn),其通常被建模為運(yùn)算放大器輸入的額外補(bǔ)償電壓。因?yàn)檫\(yùn)算放大器有高PSRR,因此建模補(bǔ)償電壓等于輸入共模電壓變化值除以運(yùn)算放大器的PSRR。方程式2可用于計(jì)算電源變化引起的運(yùn)算放大器輸入的補(bǔ)償電壓。
方程式2所示PSRR以分貝表示,其可在大多數(shù)運(yùn)算放大器產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中找到。方程式2給出了以運(yùn)算放大器輸入為參考的補(bǔ)償電壓。用方程式2所得結(jié)果乘以運(yùn)算放大器增益,運(yùn)算放大器輸出可參考補(bǔ)償電壓。
由于運(yùn)算放大器的PSRR進(jìn)一步降低了電源的微小變化,因此您可能會(huì)錯(cuò)誤地得出如下結(jié)論:電源電壓的微小變化在系統(tǒng)中影響極小或者沒(méi)有影響。作為一個(gè)定量舉例,我們可對(duì)一個(gè)全差動(dòng)運(yùn)算放大器進(jìn)行分析,其將信號(hào)緩沖至一個(gè)24位ADC。
圖3顯示的是一個(gè)使用全差動(dòng)運(yùn)算放大器的簡(jiǎn)化示意圖,例如:OPA1632,其配置為一個(gè)為24位ADC(例如:ADS1271)提供信號(hào)的單位增益緩沖器。該電路是ADC評(píng)估電路板的簡(jiǎn)化示意圖。運(yùn)算放大器由LDO供電,其線(xiàn)壓、負(fù)載和溫度精度為3%。LDO的輸出電壓針對(duì)±15V標(biāo)稱(chēng)值進(jìn)行配置。
如果每個(gè)LDO的輸出電壓均恰好各是+15V和–15V,則共模輸入電壓剛好為0V。就本例而言,如果零伏在其輸入上,則我們自ADC讀取零計(jì)數(shù)。那么,電源大小相等而在運(yùn)算放大器輸入上沒(méi)有信號(hào)的情況下,您會(huì)從ADC讀取零計(jì)數(shù)。
然而,假設(shè)正電壓LDO輸出增加3%,仍然沒(méi)有超出LDO規(guī)范。使用15V輸出時(shí),這3%的變化等同于電源電壓從450mV上升到15.45V。根據(jù)數(shù)據(jù)表,運(yùn)算放大器的典型PSRR為97dB。
方程式2現(xiàn)在可用于計(jì)算運(yùn)算放大器輸入的失調(diào)電壓。在運(yùn)算放大器輸入有一個(gè)額外的3.178μV失調(diào)電壓。由于運(yùn)算放大器被配置為一個(gè)單位增益緩沖器,因此該3.178μV也存在于輸出,并施加于A(yíng)DC。ADC的滿(mǎn)量程輸入范圍為±2.5V,因此每個(gè)ADC位相當(dāng)于298nV。
使用電源產(chǎn)生的補(bǔ)償電壓,ADC現(xiàn)在讀取11個(gè)計(jì)數(shù),而非零計(jì)數(shù)。電源在讀取ADC計(jì)數(shù)中引入了一個(gè)DC補(bǔ)償誤差。該誤差會(huì)因LDO輸出電壓而不同,而LDO輸出電壓又隨時(shí)間、溫度、負(fù)載電流和輸入電壓而變化。這便使得這種誤差難以通過(guò)校準(zhǔn)去除掉,也讓ADC的低四位變得不確定。
提高LDO追蹤和精度(或者漂移)性能的一種簡(jiǎn)單方法是將圖2所示電路修改為圖4所示電路。附加放大器U1和四個(gè)電阻需要針對(duì)2增益進(jìn)行配置。額定值條件下,R3和R4之間的節(jié)點(diǎn)應(yīng)為零伏。因此,R1的值必須等于R2,而R3的值必須等于R4。
圖2中,每個(gè)LDO的反饋網(wǎng)絡(luò)都連接至接地。圖4中,反饋電阻連接至接地,且由U1的輸出驅(qū)動(dòng)?,F(xiàn)在,如果任何電源改變其輸出電壓,則差異出現(xiàn)在U1的非反相輸入上,并被增益至原來(lái)的2倍。由于U1的輸
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