一般而言,CMOS放大器比精确双极型、斩波器稳定型和FET输入放大器价格便宜,因此它已经引起了很多工程师的注意。但是,较高的输入失调电压、较高的偏压漂移和较高的电压噪声等常见缺点使CMOS放大器一直限于低精确度的商品化应用。不过,随着模拟设计技术、工艺技术和后封装微调技术的不断改进,CMOS放大器不再只配作为商业级产品了。今天,高性能模拟集成电路制造商推出的CMOS产品缩小了与精确双极型设计的差距,同时仍然能使最终用户获得成本较低的好处。
噪声:一个基本的误差源
就运算放大器输入噪声性能规格而言,通常电压噪声以nV/(Hz作为单位给出,电流噪声以pA/(Hz为单位。所有放大器数据表中都提供这些数值,频率一般规定在1kHz,表示平带分量。由于噪声密度在低频时是变化的,所以大多数运算放大器还规定一个0.1Hz至10Hz带宽内的典型峰至峰值噪声。这个性能规格常称作1/f噪声或闪烁噪声。一个放大器电路的总噪声取决于器件类型(双极型、FET或CMOS)、外部电路阻抗、增益、带宽和温度。使一个运算放大器总噪声增加的是放大器电路外部电阻的热噪声。在室温时,电阻R的RMS电压噪声密度或“点噪声”为VR=0.13(RnV/(Hz。因此,一个10k(电阻的点噪声为13nV/(Hz,一个1M(电阻的点噪声为130nV/(Hz。这样一来,在电阻噪声之上增加的噪声最低的放大器就成为理想选择了。
图1:LTC6241的噪声性能
传统上,CMOS放大器以低输入偏置电流而闻名,但却总是受到高电压噪声所累。一个典型的CMOS放大器的平带噪声为几十nV/(Hz,1/f噪声的峰至峰值范围为几微伏。另一方面,双极型放大器本身噪声较低,是低噪声应用的最常见选择。不过,随着频率降低,双极型放大器的噪声会提高。就超低频应用而言,最好使用斩波器稳定型或零漂移放大器,因为它们没有1/f噪声,也就是说,它们的噪声在频率降低时保持不变。
突破噪声障碍
随着放大器设计技术的不断进步,现在CMOS放大器的电压噪声有可能做到比以前低。凌特公司的LTC6241双路放大器和LTC6242四路放大器就是实例。这些放大器在0.1Hz至10Hz区域具有异常低的550nVp-p噪声,其电压噪声比现有CMOS放大器降低了3倍,缩小了双极型和CMOS设计之间的性能差距。这种性能突破最大限度地提高了信号分辨率,使这些运算放大器能够用在种类繁多的高阻抗低频应用中。在高于1kHz的频率范围内,LTC6241/2的电压噪声仅为7nV/(Hz。这相当于3.1k(电阻的噪声。在这一频率范围内,总的源电阻可以轻易地主导噪声。因此,我们希望保持源电阻和反馈电阻等于或低于这个值。
LTC6241/2采用专有设计技术,同时获得了低1/f噪声和低输入电容。当放大器与大源电阻以及反馈电阻一起使用时,低输入电容是很重要的。该放大器的尾电流产生的噪声通过此输入电容耦合,并出现在这些大的源电阻和反馈电阻上。
这些放大器不仅最大限度地减小了关键误差源(电压噪声),而且还具有卓越的直流精确度。LTC6241/2具有1pA偏置电流和低于125uV的输入失调电压。偏压漂移保证低于2.5uV/°C,同时124dB的大电压增益保持系统误差最小。
输入失调与漂移是另一种关键误差源
放大器电路中的另一种基本误差来自输入失调电压和输入偏压漂移引起的不准确性。斩波器稳定型或零漂移放大器具有低得多的偏压和漂移。低于5uV的最大失调电压和0.05uV/(C的最大漂移通常是凌特公司零漂移放大器有保证的参数。但是,在宽带应用中,精确双极型放大器由于斩掉了斩波器的频率尖峰、混叠误差和宽带噪声而大受欢迎。而CMOS输入放大器一般具有几百微伏、甚至高达毫伏量级的失调电压,每摄氏度几微伏的温度漂移也常见。直到现在,根据应用的频率要求,最佳精确放大器的选择目标一直是零漂移或双极型放大器。
随着LTC6078的推出,凌特公司已经能够为CMOS放大器设计建立新标准了。该放大器采用正在申请专利的设计架构,具有20uVMAX的微小输入失调电压。这意味着其直流偏移是现有CMOS放大器的1/10。此外,通过保证偏压漂移低于0.7uV/(C,LTC6078双路放大器和LTC6079四路放大器直接与最好的精确双极型运算放大器产生了竞争。这些放大器具有最佳直流准确性,已经突破了与CMOS运算放大器有关的性能障碍。它们具有轨至轨输入和输出,并具有低输入偏置电流、低噪声和极佳的共模抑制比以及电源抑制比。此外,每个放大器仅消耗50uA电源电流。
当器件从P沟道变化到N沟道或从N沟道变化到P沟道时,轨至轨输入放大器一般在直流偏移中有不连续性或大的扰动。在低失调电压是关键要求的应用中,用户必需处理这种毛刺。这使得用这类放大器进行设计面临极大挑战,尤其是当你需要在整个共模范围内保持直流准确性时,更是这样。LTC6078/9由于在整个共模电压范围内都具有卓越的平滑性,因此已经消除了这一障碍。
作者:RoyaNasratyKahn
凌特公司
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