何時(shí)校準(zhǔn)系統(tǒng)失調(diào)電壓和增益誤差
出處：維庫電子市場網(wǎng) 發(fā)布于：2024-10-28 15:54:17 | 382 次閱讀
運(yùn)算放大器 (op amp) 的輸入失調(diào)電壓 (V OS ) 被建模為直流誤差源，其作用類似于同相輸入上的電壓源。對于小輸入信號的高增益電路來說，它可能會引入嚴(yán)重的誤差。
圖 1顯示了增益為 100 V/V、輸入信號為 45 mV 且 V OS為 1 mV 的運(yùn)算放大器。偏移信號直接添加到輸入信號中，從而引入 2.22% 的誤差。您可以通過選擇具有更好失調(diào)規(guī)格的運(yùn)算放大器或通過實(shí)施校準(zhǔn)程序來減少此誤差。
校準(zhǔn)將兩個(gè)不同的校準(zhǔn)信號施加到運(yùn)算放大器并測量其響應(yīng)。然后，您可以使用測量結(jié)果對傳遞函數(shù)進(jìn)行直線曲線擬合，并使用數(shù)學(xué)模型來校正運(yùn)算放大器的增益和失調(diào)誤差。這種方法甚至適用于包含多個(gè)運(yùn)算放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 的復(fù)雜模擬系統(tǒng)。
圖 2和方程式 1、2、3 和 4 顯示了使用失配 0.1% 的電阻器的簡單兩點(diǎn)校準(zhǔn)示例。除了校正失調(diào)之外，該方法還可以校正由電阻器容差引起的增益誤差。
方程 1顯示了校準(zhǔn)線性系統(tǒng)時(shí)使用的一般直線方程。公式 2和公式 3顯示了增益和失調(diào)校準(zhǔn)系數(shù)的計(jì)算。請注意，增益的理想值為 2.0 V/V，但由于電阻容差，測量結(jié)果為 2.00088 V/V。
何時(shí)校準(zhǔn)系統(tǒng)失調(diào)電壓和增益誤差
此外，理想的偏移為 0 V，但偏移計(jì)算結(jié)果為 31.25 μV。公式 4顯示了如何使用校準(zhǔn)系數(shù)來校正增益和失調(diào)誤差，以確定更準(zhǔn)確的 V IN值。
如上例所示，運(yùn)算放大器增益誤差主要是由用于設(shè)置放大器增益的電阻容差引起的 (G = Rf/Rg +1)。 0.1% 的容差適用于標(biāo)稱室溫值，因此，單次校準(zhǔn)可以最大限度地減少室溫增益誤差。然而，如果不添加額外的溫度校準(zhǔn)步驟，就不可能校準(zhǔn)增益誤差漂移（或隨溫度變化的增益誤差變化）。
增益誤差漂移是由反饋電阻溫度系數(shù)不匹配引起的。因此，電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)可以最大限度地減少增益誤差漂移，因?yàn)閮?nèi)部電阻的溫度系數(shù)匹配。
以RES11A電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)為例，其最大增益誤差為±0.05%，最大增益漂移誤差為±2 ppm/°C。在許多情況下，使用具有此精度級別的電阻器可以消除校準(zhǔn)的需要，從而降低測試復(fù)雜性。
偏移校準(zhǔn)過程的局限性之一是有許多系統(tǒng)變量會影響 V OS的值。在校準(zhǔn)中考慮這些次要影響通常很困難或不可能。例如，溫度變化會影響V OS。
從技術(shù)上講，您可以監(jiān)控溫度并糾正電源電壓的變化，但從實(shí)際角度來看，這樣做會使校準(zhǔn)過程變得復(fù)雜且昂貴。共模輸入電壓、電源電壓和開環(huán)增益都會產(chǎn)生額外的輸入失調(diào)電壓。
這些參數(shù)在運(yùn)算放大器數(shù)據(jù)表中指定，以便您可以通過計(jì)算和仿真來估計(jì)預(yù)期誤差的范圍。
您可以在運(yùn)算放大器選擇過程中選擇高性能器件，以最大限度地減少這些錯(cuò)誤。例如，OPA189 的典型共模抑制比 (CMRR) 為 168 dB。這種非常高的 CMRR 意味著共模中 1V 的變化將導(dǎo)致偏移量發(fā)生 4nV 的變化。因此，對于該器件，改變共模信號對 V OS 的影響實(shí)際上可以忽略不計(jì)。
某些誤差源可能會產(chǎn)生運(yùn)算放大器數(shù)據(jù)表中未指定的額外偏移，因?yàn)樗鼈兛蓺w因于 PCB 設(shè)計(jì)或外部環(huán)境因素。例如，在 PCB 上施加機(jī)械應(yīng)力可能會導(dǎo)致運(yùn)算放大器輸入失調(diào)電壓發(fā)生變化。環(huán)境因素產(chǎn)生額外偏移電壓的另一個(gè)例子是寄生熱電偶。
這些寄生熱電偶是由反饋網(wǎng)絡(luò)、輸入連接和 PCB 走線中使用的不同金屬引起的，當(dāng) PCB 具有顯著的熱梯度或應(yīng)用非常敏感時(shí)，這主要是一個(gè)問題。在具有中等熱梯度的環(huán)境中，熱電動(dòng)勢（EMF）將在微伏范圍內(nèi)。
校準(zhǔn)還是不校準(zhǔn)？
校準(zhǔn)既是技術(shù)也是財(cái)務(wù)的設(shè)計(jì)決策。如果您的模擬系統(tǒng)需要自動(dòng)最終測試驗(yàn)證，校準(zhǔn)可以允許使用精度較低的組件，但仍能實(shí)現(xiàn)良好的精度。
在不需要自動(dòng)最終測試的情況下，添加校準(zhǔn)可能成本高昂，更好的方法是使用精密運(yùn)算放大器和電阻網(wǎng)絡(luò)來減少總體誤差。
精密元件還有一個(gè)額外的好處，即可以最大限度地減少 CMRR、PSRR、A OL和溫度漂移等次要誤差源。這些次要誤差源很難通過校準(zhǔn)來消除。
圖 1顯示了增益為 100 V/V、輸入信號為 45 mV 且 V OS為 1 mV 的運(yùn)算放大器。偏移信號直接添加到輸入信號中，從而引入 2.22% 的誤差。您可以通過選擇具有更好失調(diào)規(guī)格的運(yùn)算放大器或通過實(shí)施校準(zhǔn)程序來減少此誤差。
何時(shí)校準(zhǔn)系統(tǒng)失調(diào)電壓和增益誤差
校準(zhǔn)將兩個(gè)不同的校準(zhǔn)信號施加到運(yùn)算放大器并測量其響應(yīng)。然后，您可以使用測量結(jié)果對傳遞函數(shù)進(jìn)行直線曲線擬合，并使用數(shù)學(xué)模型來校正運(yùn)算放大器的增益和失調(diào)誤差。這種方法甚至適用于包含多個(gè)運(yùn)算放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 的復(fù)雜模擬系統(tǒng)。
圖 2和方程式 1、2、3 和 4 顯示了使用失配 0.1% 的電阻器的簡單兩點(diǎn)校準(zhǔn)示例。除了校正失調(diào)之外，該方法還可以校正由電阻器容差引起的增益誤差。
何時(shí)校準(zhǔn)系統(tǒng)失調(diào)電壓和增益誤差
方程 1顯示了校準(zhǔn)線性系統(tǒng)時(shí)使用的一般直線方程。公式 2和公式 3顯示了增益和失調(diào)校準(zhǔn)系數(shù)的計(jì)算。請注意，增益的理想值為 2.0 V/V，但由于電阻容差，測量結(jié)果為 2.00088 V/V。
何時(shí)校準(zhǔn)系統(tǒng)失調(diào)電壓和增益誤差
此外，理想的偏移為 0 V，但偏移計(jì)算結(jié)果為 31.25 μV。公式 4顯示了如何使用校準(zhǔn)系數(shù)來校正增益和失調(diào)誤差，以確定更準(zhǔn)確的 V IN值。
如上例所示，運(yùn)算放大器增益誤差主要是由用于設(shè)置放大器增益的電阻容差引起的 (G = Rf/Rg +1)。 0.1% 的容差適用于標(biāo)稱室溫值，因此，單次校準(zhǔn)可以最大限度地減少室溫增益誤差。然而，如果不添加額外的溫度校準(zhǔn)步驟，就不可能校準(zhǔn)增益誤差漂移（或隨溫度變化的增益誤差變化）。
增益誤差漂移是由反饋電阻溫度系數(shù)不匹配引起的。因此，電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)可以最大限度地減少增益誤差漂移，因?yàn)閮?nèi)部電阻的溫度系數(shù)匹配。
以RES11A電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)為例，其最大增益誤差為±0.05%，最大增益漂移誤差為±2 ppm/°C。在許多情況下，使用具有此精度級別的電阻器可以消除校準(zhǔn)的需要，從而降低測試復(fù)雜性。
偏移校準(zhǔn)過程的局限性之一是有許多系統(tǒng)變量會影響 V OS的值。在校準(zhǔn)中考慮這些次要影響通常很困難或不可能。例如，溫度變化會影響V OS。
從技術(shù)上講，您可以監(jiān)控溫度并糾正電源電壓的變化，但從實(shí)際角度來看，這樣做會使校準(zhǔn)過程變得復(fù)雜且昂貴。共模輸入電壓、電源電壓和開環(huán)增益都會產(chǎn)生額外的輸入失調(diào)電壓。
這些參數(shù)在運(yùn)算放大器數(shù)據(jù)表中指定，以便您可以通過計(jì)算和仿真來估計(jì)預(yù)期誤差的范圍。
您可以在運(yùn)算放大器選擇過程中選擇高性能器件，以最大限度地減少這些錯(cuò)誤。例如，OPA189 的典型共模抑制比 (CMRR) 為 168 dB。這種非常高的 CMRR 意味著共模中 1V 的變化將導(dǎo)致偏移量發(fā)生 4nV 的變化。因此，對于該器件，改變共模信號對 V OS 的影響實(shí)際上可以忽略不計(jì)。
某些誤差源可能會產(chǎn)生運(yùn)算放大器數(shù)據(jù)表中未指定的額外偏移，因?yàn)樗鼈兛蓺w因于 PCB 設(shè)計(jì)或外部環(huán)境因素。例如，在 PCB 上施加機(jī)械應(yīng)力可能會導(dǎo)致運(yùn)算放大器輸入失調(diào)電壓發(fā)生變化。環(huán)境因素產(chǎn)生額外偏移電壓的另一個(gè)例子是寄生熱電偶。
這些寄生熱電偶是由反饋網(wǎng)絡(luò)、輸入連接和 PCB 走線中使用的不同金屬引起的，當(dāng) PCB 具有顯著的熱梯度或應(yīng)用非常敏感時(shí)，這主要是一個(gè)問題。在具有中等熱梯度的環(huán)境中，熱電動(dòng)勢（EMF）將在微伏范圍內(nèi)。
何時(shí)校準(zhǔn)系統(tǒng)失調(diào)電壓和增益誤差
校準(zhǔn)還是不校準(zhǔn)？
校準(zhǔn)既是技術(shù)也是財(cái)務(wù)的設(shè)計(jì)決策。如果您的模擬系統(tǒng)需要自動(dòng)最終測試驗(yàn)證，校準(zhǔn)可以允許使用精度較低的組件，但仍能實(shí)現(xiàn)良好的精度。
在不需要自動(dòng)最終測試的情況下，添加校準(zhǔn)可能成本高昂，更好的方法是使用精密運(yùn)算放大器和電阻網(wǎng)絡(luò)來減少總體誤差。
精密元件還有一個(gè)額外的好處，即可以最大限度地減少 CMRR、PSRR、A OL和溫度漂移等次要誤差源。這些次要誤差源很難通過校準(zhǔn)來消除。
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