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工业和医疗设计推动产品的精度和速度日益提高。模拟集成电路行业总体能够跟上速度的发展要求，但在精度要求上却有所不足。许多系统都竞相迈入1 ppm精度之列，特别是如今，1 ppm 的线性ADC日益普遍。本文将介绍运算放大器的精度局限性，以及如何选择为数不多的有可能达到1 ppm精度的运算放大器。另外，我们还将介绍一些针对现有运算放大器局限性的应用改善。
精度（Accuracy）与数值相关：系统特性与绝对真实数值之间的差距。精密（Precision）是以数字形式表示的数值深度。在本文中，我们将使用精度一词，它包括噪声、偏移、增益误差和非线性度等系统测量的所有限制。许多运算放大器的某些误差在ppm量级，但没有个运算放大器的所有误差都达到了ppm量级。例如，斩波放大器可提供ppm级的失调电压、直流线性度和低频噪声，但它们的输入偏置电流和频率线性度存在问题。双极性放大器具有低宽带噪声和良好的线性度，但其输入电流仍可能导致内部电路误差（对于内部电路，我们将使用“应用”一词）。MOS放大器具有出色的偏置电流，但通常在低频噪声和线性度领域存在缺陷。 |
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非ppm放大器类型
让我们来看看非高线性度的放大器类型。线性度最低的类型即所谓的视频或线路驱动器放大器。这些都是直流精度不太好的宽带放大器：偏移达几毫伏，偏置电流在1 µA至50 µA范围内，并且1/f噪声性能通常较差。理想的直流精度在0.3%至0.1%之间，但交流失真可以介于–55 dBc至–90 dBc（线性度：2000 ppm至30 ppm）之间。 下一项分类是传统经典运放设计，例如OP-07，可能具有高增益、CMRR、PSRR以及良好的失调电压和噪声性能，但其失真却无法优于–100 dBc，特别是在达到1 kΩ或更高负载的情况之下。 然后，还有一些或新或旧的廉价放大器，其失真在负载超过10 kΩ的情况下都无法优于–100 dBc。 此外，还有音频放大器类运算放大器。它们相当实惠，且失真表现可能非常好。但是，它们的设计不合适且不能提供良好的失调电压和1/f噪声性能。此外，他们的失真或许在大于10 kHz 后也不能变的更好了。 有些运算放大器旨在支持MHz信号的线性度。它们通常为双极性，并具备较大的输入偏置电流和1/f噪声。在该应用领域，运算放大器更多追求的是–80 dBc至–100 dBc程度的性能，实现ppm 性能不太现实。 无论宽带及压摆率多大，电流反馈放大器也不能支持深线性度，甚至是适度的精度。它们的输入级有很多误差源，并且增益、输入和电源抑制性能都不高。电流反馈放大器还具有热漂移效应，会大幅拓展正常的建立时间。 然后，我们拥有现代的通用型放大器。它们一般具备1 mV的偏移和微伏级1/f噪声。支持–100 dBc失真，但在高负载时通常无法实现。 |
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运算放大器的误差源
图1显示的是简化的运算放大器框图，并添加了交流和直流误差源。拓扑为带有输入跨导 gm 的单极点放大器，驱动输出缓冲单元的增益节点。尽管有许多运算放大器拓扑，但所示的误差源对它们全部适用。 图1. 简化的运算放大器和误差源。 |
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输入噪声
有的输入噪声电压 VNOISE E包含宽带和1/f频谱成分。如果噪声的幅度类似或超过系统LSB，则无法准确地测量信号。例如，如果宽带噪声为6 nV/√Hz，系统带宽为100 kHz，那么输入端的有效值噪声则会达到1.9 µV。我们可以使用滤波器来降低噪声：例如，将带宽降至1 kHz可使噪声降至0.19 µV rms或1 µV p-p（峰峰）左右。频域的低通滤波可降低噪声幅度，就像ADC输出随时间推移而平均化一样。 不过，由于速度太慢，1/f噪声实际上无法过滤或均化。1/f噪声通常使用0.1 Hz至10 Hz频谱范围内生成的峰峰值电压噪声体现。大多数运算放大器的低频噪声都介于1 µV p-p至6 µV p-p之间，因而不太适合对直流精度要求高的ppm级别，特别是在提供增益的情况下。 图2显示的是优良的高精度放大器 LT1468的电流和电压噪声。 图2.LT1468输入电压和电流噪声。 在图1的输入端，还有偏置电流噪声源INOISE+ 和 INOISE––。它们包含宽带和1/f频谱成分。INOISE乘以等效电阻会产生更多输入电压噪声。一般而言，同相端和反相端的两个电流噪声之间互不相关，不会随着两端输入电阻值相等而抵消，而是以rms方式增加。 INOISE乘以输入等效电阻产生的噪声电压常常会超过1/f区的 VNOISE。 |
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输入共模抑制和偏置误差
下一种误差源是 VCMRR。这体现在共模抑制比指标参数上，其中失调电压会随着相对于两个供电轨的输入电平而变化（所谓的共模电压， VCM）。使用的符号指示箭头方向的电源相互影响，通过它的分割线表示其可变，但可能是非线性变化。CMRR 对信号的主要影响在于使线性部分与增益误差无法区分。非线性部分将会失真。图3显示了 LT6018的CMRR。增加的线与CMRR曲线在该曲线分化到过载之前的极点相交。该线的斜率提供的 CMRR = 133dB。范围每相差30 V，CMRR曲线与理想线之间的偏差仅约为0.5 µV，表示ppm以下级别的输入非常成功。其他放大器的曲率可能更大。 图3.LT6018输入失调电压与 VCM。 失调电压（VOS） ）将归入此处的CMRR。斩波放大器的输入失调电压低于10 µV，相对于2 V p-p至10 V p-p的典型输入信号，接近于单ppm误差。甚至，最佳ADC的失调电压通常会多达100 µV。所以，10uV级的失调电压不会对运算放大器自身造成太大的负担；无论如何，系统本身会自动调零。与输入信号的共模电平相关的是 ICMRR，即输入偏置电流及其随电源的变化情况。断线表明偏置电流会随电压变化，并且也可能不是线性变化。共有四个 ICMRR，因为两个输入端有独立的偏置电流和电平相关性，并且每个输入端随两种电源的变化不同。 ICMRR乘以应用电阻的阻值会增加电路的整体失调电压。图4显示了LT1468的偏置电流与 VCM （the ICMR 规格）。添加的线所示的斜率为~8 nA/V，在使用1 kμΩ 应用电阻或低ppm误差的情况下将为8 µV/V。它与直线的偏差约为15 nA，由此在1 kμΩ应用环境下会在26 V范围内产生15 µV的误差，或非线性度达0.6 ppm。 图4.LT1468输入偏置电流与VCM。 |
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