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實現訊號鏈零錯誤 TI利用截波放大器提出兩種解決方法
 

【CTIMES/SmartAuto 報導】   2021年02月04日 星期四

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可編程邏輯控制器、秤重和自動測試設備等工業設備,對更高解析度和速度的訊號鏈需求逐漸攀升,對高精密度放大器的需求也跟著增加,因為在這類訊號鏈中,高精密度放大器可當作類比轉數位轉換器(ADC)驅動器和電壓參考緩衝器來使用。

OPA2182和非截波放大器OPA2140的零點漂移比較。
OPA2182和非截波放大器OPA2140的零點漂移比較。

常用於這類系統內的截波放大器,是一種零漂移運算放大器(op amp),且無論配置為何,其內部拓撲結構都可將放大器的偏移降至最低,因此具有極低的偏移電壓。如此一來,偏移誤差也會變得極低(偏移、飄移、共模拒斥比[CMRR]、電源供應拒斥比[PSRR]和開環電壓增益[Aol])。

這個拓撲結構的另一項優點,在於放大器會將低頻率雜訊視為DC錯誤(因此可將其降至最低),所以此拓撲結構具有平坦的1/f,也就是閃爍雜訊。諸如精密溫度監控、惠斯登電橋(Wheatstone bridge)量測和電壓參考緩衝器等,都需要在DC與數十千赫等多種頻率之間實現高精密度的應用,因此對這類應用來說,截波放大器會是極為理想的選擇。

德州儀器指出,在設計精密訊號鏈時常見兩種設計挑戰,但也有克服這些挑戰的相應方法。

首先,要將不同溫度間的偏移誤差減至最少。德州儀器表示,設計精密訊號鏈時,面臨的最大挑戰之一,就是需將ADC驅動器和參考緩衝器所導致的偏移誤差降至最低。雖然在生產期間執行校準,可以改善偏移、CMRR、PSRR和Aol性能,但是偏移電壓漂移的校準作業卻相當困難,且所費不貲。

此作業需要改變生產時的系統溫度,或加入校準環路,導致系統尺寸和物料清單數量皆隨之增加。相較於對零點漂移進行校準,由於截波放大器固有的零點漂移性能偏低,因此使用截波放大器有助於解決前述問題。

然而,新一代的截波放大器卻存在一項全新的問題,會限制這類裝置達到更佳的零點漂移性能。這種問題稱為「賽貝克效應」(Seebeck effect),屬於熱電偶效應的一部分。賽貝克效應是在溫度梯度中產生電位的情況,當放大器在運作期間自熱時,會自然發生賽貝克效應,在環境溫度下也會如此。若裝置內從接腳到放大器核心之間的訊號通道使用相異的金屬,前述梯度就會增加。

TI發現此限制,並以不同金屬進行廣泛的實驗後,找出了一種材料組合,可生產OPA2182,此產品在從-40°C到+125°C的完整溫度範圍中,最大零點漂移僅有12nV/°C。

另一項設計挑戰,是如何快速且正確地讓ADC輸入處的訊號達到安定。對於為了節省基板空間和系統成本,而在訊號鏈輸入處使用多工器的系統而言,安定作業格外困難。當多工器切換通道時,ADC驅動器可能會出現步階輸入,此時切換式輸入就會產生前述問題。

許多放大器之間的反平行二極體皆互相連接,以提供防護。受到步階響應影響時,輸入將不再處於大致相等的狀態(如同在正常運作下),且其中一個反平行二極體會變成正向偏壓,從一個輸入將電流汲取至另一個輸入。前述電流會流經多工器和訊號來源,導致安定響應延後。

為了改善放大器的安定時間,TI在裝置中加入可搭配多工器(MUX)使用的輸入,例如在OPA2182中即加入了這類輸入。這項具專利的結構可免除使用反平行二極體,同時因為不會有錯誤電流流經訊號來源和多工器,所以放大器能更快速地安定至步階輸入。

雖然在設計精密訊號鏈時存在許多挑戰,不過如OPA2182等截波放大器皆具有更佳的零點漂移性能和可搭配MUX使用的輸入,因此可協助簡化設計。

關鍵字: 放大器  TI(德州儀器, 德儀
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