专业设计如何补偿运算放大器中的失调电压?

电器工程 运算放大器 生产 生产测试 工业的 输入失调电压
2022-01-03 09:52:32

我是电子产品新手,在课堂上被告知要始终添加精密电位器来补偿运算放大器中的输入偏移电压以进行信号调节。我担心的是这个偏移电压是运算放大器 IC 固有的,并且在电路的每个实例中都不同。为量产而做的专业设计如何处理失调电压问题?他们是否在每块板制造后调整电位器以检查它们是否已调整?这听起来不切实际。他们是否使用其他技巧来解决问题,或者可能只是使用更好的运算放大器或定制设计以避免依赖于单个 IC 参数的差异?

4个回答

根据您的应用,可能会有失调电压可以忽略不计的低成本运算放大器。

现代 CMOS 运算放大器的一种常见方法是使用一种称为斩波稳定的装置。这可以在无需调整的情况下提供微伏级偏移。

该技术使用带有交替交换输入电压极性的 CMOS 开关的辅助放大器。然后对该放大器的输出进行平均,以消除任何偏移电压的影响。该输出不直接使用,而是用作主要传统放大器的偏移调整电压,因此不影响高频性能。静态偏移和任何与温度相关的漂移都可以消除。甚至可以消除低频噪声(通常称为 1/f 噪声)。

这与 CMOS 技术特别匹配,因为它能够制造良好的极低偏移开关,但在线性阶段具有相对较大的偏移。CMOS 线性电路在 1/f 噪声方面通常处于劣势,但也可以降低这一点。

这并非没有缺点,特别是在开关频率下会产生噪声,饱和后恢复时间较长,因此通常不适合出现这种情况的电路。

斩波稳定运算放大器 - Analog Devices

在 Vos 很重要的情况下,增益通常也很重要。

您可以使用 pot(s) 并调整错误。如果您仔细计算并限制调整范围,并且(特别是)如果调整可以同时消除其他错误,则此方法效果很好。它不处理偏移漂移,并且设计不良的调整电路本身可能会发生显着漂移。从好的方面来说,用户可以轻松地对其进行调整以进行维护。不利的一面是,用户同样可以很容易地对其进行错误调整。

您可以避开罐子并以数字方式进行调整。这意味着放弃 ADC 和前端的一些范围。处理非易失性数据的潜在丢失还有一个令人讨厌的问题,它不处理偏移(或增益)的漂移。

您可以将开关添加到前端以交替测量(例如)接地和输入(或偶尔测量接地)并减去两者。这增加了一点复杂性,但不需要存储并且可以使用便宜的零件。这也处理偏移随温度的漂移。

您可以使用“零漂移”运算放大器。这基本上以相对透明的方式在芯片上实现了上述内容。如今,它们对于许多应用来说已经足够便宜了,它基本上消除了 Vos 问题(和偏移漂移),但是如果存在来自其他来源的偏移,它们就不能解决问题。它们还可能在信号带宽中增加噪声,并具有从输入端子流出的相对较大的瞬态电流,这可能会影响某些应用。

在某些精度水平上,购买保证对整个系统精度足够好的部件可能会变得不经济 - 例如,高增益放大器、用于设置增益的超精密和超稳定电阻器、超准确参考、超- 用于参考的稳定分频器和缓冲器等,因此某种调整或校准是有意义的。例如,我们需要拿出大部分可用的技巧来进行 1uK/sqrt(Hz) 温度控制。

我曾为一位高级工程师工作,他正在开发用于各种原型西科斯基直升机的遥测系统。这个盒子是亮橙色的,如果发生碰撞,可以抢救(每个大约 50,000 美元)。

大约有 1,000 个频道;一些是 high_level 来记录开关/继电器设置。

无数的模拟通道具有从 1X 到 1,000X 的可编程增益(从 EPROM UV 可擦除)。鉴于随附的 10 位 10 微秒 ADC,具有 +-5 伏输入,单个 Quanta 的最高增益为 10 微伏,并且需要应变仪监测结构应力和振动。请注意,10uV 量子可提供热电偶约 1/4 摄氏度的温度分辨率。

遥测系统经过工厂校准。

模拟多路复用器使用昂贵的(1970 年代早期组件)MOSFET,在差分传感配置中提供高达 140 dB 的 400 赫兹(飞机电源频率)的共模抑制。

使用的输入 INA 仪表放大器

  • 匹配的 JFET,Idd 电流被手动选择为差分对的零温度系数工作点

  • JFET 输出电流流向 Vishay 匹配电阻以获得一些增益,然后流向 Harris HA2525 运算放大器,该运算放大器关闭了precision_gain 环路并驱动一些自举点以改善 AC CMR。

结果是一个仪表系统,在面对直升机振动时很坚固(这家公司经常提供发射到太空的盒子,所以振动设计没有任何麻烦),并且在军用温度范围内很坚固,因为直升机原型将在极端情况下进行测试,并且拥有可靠且准确的遥测对于调试任何故障都至关重要。

YES---- 3 个生产单位的高级技术人员负责将 10_turn 锅设置到正确的位置。

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DKNguyen 询问确定 JFET 的零温度系数 Idd:

是的。采购部门从 ADI 订购了一些 dual_JFET 对。和超级技术人员(具有 15/20/25 年进步经验并表现出对细节的关注的人 ---- 这家公司开发和销售的设备在存储 20 年后预计可按规格运行 20 年,并且然后推出,因此高度负责的跳过无步骤工作人员非常珍惜)将根据零温度漂移的适度 Idd(3 - 8 mA)来表征双 JFET 对。

3 个盒子的相关“维修手册”可能包括 DRIFT NULL 调整。每年一次,客户 test_people 可以插入 CALIBRATE EPROM,并使用设置为 1,000X 的通道来监控从 -55C 到 +125C 的 offset_drift。如果不符合规格,则可以调整 10_turn Bourns 军用级密封的 Oring 罐以补偿 JFET 老化。

当应变计电桥读数对于在飞行测试期间检测机身弯曲至关重要时,可以定期校准遥测系统,并将应变计电缆小心地放置在机身内,以尽量减少与遥测双绞线相邻的 400Hz 电流的干扰影响。

我认为我从来没有做过有偏移问题的大批量设计。我做了一些需要精度的奇怪板,我依靠高美元的精密零件。

如果我确实必须进行高精度、大容量设计,我会尝试使用保证低失调电压的运算放大器,或者在软件中消除失调。

这个想法是,在自动化过程中的生产过程中,偏移量将被测量并存储在非易失性存储器中。

使用修剪锅将是最后的手段。