精密運算放大器技術特點及設計要點

精密運算放大器一般指失調電壓低于1mV的運放并同時強調失調電壓隨溫度的變化漂移值要小于100?V。對于直流輸入信號，VOS和它的溫漂足夠小就行了，但對于交流輸入信號，我們還必須考慮運放的輸入電壓噪聲和輸入電流噪聲，在很多應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。

傳統的低噪聲精密運放用雙極(Bipolar)技術來設計，隨著現有的很多產品采用電池供電，低功耗設計越來越重要，傳統的精密運放在功耗和軌對軌(rail to rail)輸出特性已不能滿足市場的需要，而且傳統的精密運放還有一個致命的缺點就是需要負電源供電，這在很多產品的系統設計中是不能容忍的。因而市場呼喚低功耗、低噪聲、高速大帶寬、軌對軌輸出特性的精密運放，于是CMOS設計技術成為首選，相關高精密運算放大器應運而生。

隨著DSP處理能力的提高和高速高精度ADC的發展，模擬信號鏈處理越來越向下述的系統結構靠近，如圖1所示。依靠強大的DSP處理器運算能力，DSP處理器將在數字域對信號進行處理，比如信號的濾波、調制與解調、算法處理等等，以前用硬件實現的功能大量使用軟件去代替，這種結構極大地節省了硬件成本，但是它對前級的運放提出了很高的要求。我們知道一個系統輸入級的噪聲性能往往決定了一個系統的設計成敗，若運放噪聲性能不好，DSP處理器功能再強大也不行。輸入級運算放大器成為這種信號處理結構中的關鍵點，只有高速、低功耗、低噪聲、大帶寬、高輸入阻抗、軌對軌輸出特性的精密運放才能勝任。

圖1: 模擬信號鏈處理過程示意圖。

新型傳感器層出不窮，對大部分傳感器而言，其輸出信號主要在低頻端，而且信號幅度很小，比如應變壓力傳感器其輸出一般在5mV左右，熱電偶輸出信號幅度在2mV左右，應用中和它們接口的運算放大器必須是精密運放。CMOS技術設計的運算放大器和雙極技術相比，具有更大的失調電壓和大的低頻噪聲，為了達到傳感器系統設計需要的性能指標，CMOS設計技術需要在電路上進行特別的處理，比如自動調零(AutoZero)技術、相關雙采樣(CDS)技術、斬波(Chopping)穩零技術等。