零漂移精密运算放大器：测量和消除混叠 以实现更精确的电流检测

零漂移精密运算放大器是专为由于差分电压小而要求高输出精度的应用设计的专用运算放大器。它们不仅具有低输入失调电压，还具有高共模抑制比(CMRR)、高电源抑制比(PSRR)、高开环增益和在宽温度及时间范围的低漂移（见表1）。这些特征使其非常适用于诸如低边电流检测和传感器接口、特别是具有非常小的差分信号的应用。

表1. 影响运算放大器准确度和精密度的关键参数。

虽然零漂移运算放大器制造商有时声称这些器件没有混叠效应，但实际上它们可能容易出现混叠，因为这些器件使用采样来最小化输入失调电压。因此，设计人员应测试其运算放大器电路的混叠效应。

经证实使用频谱或网络分析器的传统方法检测混叠是不够的，因此建议设计人员使用一种测量技术，将输入扫过一个频率范围，并在示波器上观察运算放大器的输出。本文将这种测试方法应用于不同的运算放大器，以观察不同的零漂移运算放大器在混叠方面的差异。测试的器件包括安森美半导体和竞争对手的自动调零和斩波稳定类型。

本文首先阐述了输入失调电压对运算放大器性能的影响，以及零漂移、斩波稳定运算放大器与通用运算放大器在性能上的差异。接下来描述斩波稳定运算放大器的运行，以及当输入信号接近或超过运放偏移校正频率时，这些放大器中发生的采样如何导致混叠。斩波稳定结构并不是实施零漂移运算放大器的唯一方法，并且将斩波稳定结构与另一种称为自动调零的零漂移结构进行了比较。

在给出了各种运算放大器的混叠测量后，本文解释了奈奎斯特采样(Nyquist sampling)理论如何确定无混叠的允许输入频率范围，以及如何应用简单的低通滤波器来防止混叠。本文后面的章节阐释了零漂移运算放大器中运放输入失调电压与其他参数如瞬态响应、启动时间、轨对轨运行、低频噪声和输入电流之间的关系。最后，阐释了SPICE模型不能解释像混叠这样的零漂移效应。

为何输入失调电压很重要？

失调电压是限制能可靠捕获的最小信号的参数之一。这定义了低动态范围级别。

输入失调电压是所有运算放大器的关键参数。在数据表中，它通常被称为VOS或VIO。它是IN+和IN-端子之间固有的差分电压，衡量输入对匹配程度。对于理想运算放大器，在闭环系统中VIN+ = VIN-。在现实世界中，由于输入失调电压的影响，VIN-不会等于VIN+。

尽管有一些硅级设计技术可以用来改进输入对匹配，但是制造工艺是产生输入失调电压的主要因素。半导体材料中的缺陷导致输入引脚之间的内部电压差。制造工艺引起的不同类型的缺陷会产生不同的温度系数。

器件间的这差异会导致特定器件的漂移(不同温度下的输入失调电压漂移)高于或低于数据表上的典型值。此外，漂移系数随温度的变化可能是正的，也可能是负的。这使得很难简单地校准应用中的输入失调电压。在某些情况下，减小传统线性运算放大器中的偏移或漂移会导致功耗的损失。

输入失调电压乘以增益并加到输出电压中，实质上向输出增加误差因子，如图1所示。这个参数在测量小差分电压时变得至关重要。随着差分电压的减小，由输入失调电压引起的误差增大。

Closed Loop Gain：闭环增益

Noise Gain：噪声增益

Error due to Vcc：由Vcc引起的误差

图1. 差分放大器配置中带有运算放大器的电流检测。