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『』您真的能通过运算放大器实现ppm精度吗？( 三 )


对于直流 ， 运算放大器的开环电压增益约为gm(R1||R2) ， 但前提是输出缓冲区增益大约1 。 R1和R2表示信号路径中各种晶体管的输出阻抗 ， 每个电阻均连接到一个供电轨或其他单元 。 这就是运算放大器中增益受限的基础 。 R1和R2不能保证为线性；它们可能导致空载失真或非线性度 。 除线性度之外 ， 我们需要增益达到或超过一百万 ， 才能实现ppm级的增益精度 。
观察标准双极性晶体管曲线 ， 我们可以看到它在该组中的跨导最高 ， 但该跨导会随着输入从零伏开始变化而快速消退 。 这一点让人担忧 ， 因为线性度的基本要求就是增益或gm恒定 。 另一方面 ， 谁会在乎放大器的电压增益如此之高 ， 以致于差分输入随输出电压的伏特级增加只能实现微伏级增加？下面是CCOMP 。
『』您真的能通过运算放大器实现ppm精度吗？
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图5.各种差分放大器的输出电流和跨导以及输入电压
CCOMP（CCOMPP和CCOMPM的平行线）会吸收gm在频率范围内的大多数输出电流 。 它可设定放大器的增益带宽乘积(GBW) 。 GBW可设定：在频率f下 ， 放大器的开环增益为GBW/f 。 如果该放大器在f = GBW/10时的输出为1 V p-p ， 闭环增益为10 ， 那么输入之间将有100 mV p-p 。 也就是 ， 平衡±50 mV 。 请注意 ， 图5中显示的标准双极性曲线在±50 mV时损耗了约一半的增益 ， 从而保证了大规模失真 。 不过 ， 智能双极仅损耗了13%的增益 ， 阈下MOS损耗了26% ， 退化双极损耗了12% ， 平方律MOS损耗了15% 。
图6显示了输入级的失真与振幅 。 在应用电路输出时将显示这些信息（乘以噪声增益） 。 输出失真可以继续增加 ， 但不能减少 。
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图6.输入级的总谐波失真与差分输入电压
除智能双极的输入级之外 ， 输入级的差分放大器显示失真与输入的平方成正比 。 在增益一致的应用中 ， 输出失真与输入失真的影响相同 。 这是大多数运算放大器的主要失真来源 。
请考虑一个采用双极输入的增益一致的缓冲区 。 若输出VOUT峰峰值电压 ， 输入差分信号将为
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我们估算
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和
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其中 ， GNOISE为应用的噪声增益 。
1 ppm非线性度相当于–120 dBc谐波失真 ， 比例为0.0001% 。 假定一个放大器使用双极性输入级 ， GBW为15 MHz ， 作为缓冲区的输出为5 V p-p ， 通过方程式2可得知该线性度的最大频率仅为548 Hz 。 上述的假设前提是放大器在较低频率下的线性度最低 。 当然 ， 当放大器提供增益时 ， 噪声增益增加 ， 且–120 dBc的频率会下降 。
阈下MOS输入级支持的–120 dBc频率最高为866 Hz ， 平方律MOS最高支持1342 Hz ， 退化双极最高支持1500 Hz 。 智能双极的失真不符合预测模式 ， 人们必须根据数据手册进行估算 。
我们可以使用更简单的公式
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其中 ， K可从运算放大器数据手册的失真曲线中找到 。
附加一点 ， 许多运算放大器都是使用轨到轨输入级 。 大多数放大器通过两个独立的输入级都能实现此功能 ， 即在输入共模范围内 ， 不同输入级之间可以转换 。 这种转换会导致失调电压变化 ， 还可能导致偏置电流、噪声乃至带宽变化 。 此外 ， 基本上还会导致输出时出现开关瞬变现象 。 如果信号总是穿过交越区 ， 那么则不能对低失真应用使用这些放大器 。 不过 ， 对于相反的应用场合可以使用它们 。


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