Помимо начального входного напряжения смещения, на поведение этого напряжения ошибки могут влиять и другие факторы, такие как синфазное напряжение, рабочее напряжение, выходное напряжение, температура и даже время.
В зависимости от области применения, эти внешние факторы могут определять оптимальную архитектуру усилителя для каждой конкретной конструкции.
Настройка с помощью EPROM:
В некоторых операционных усилителях для коррекции входного напряжения смещения используются энергонезависимые предохранители EPROM. Во многих случаях это делается внутри корпуса на этапе окончательного тестирования, и это очень экономичный способ получить усилитель с низким начальным напряжением смещения. Поскольку настройка усилителя производится после сборки, любые смещения, связанные со сборкой, могут быть скорректированы. Еще одним преимуществом этой архитектуры является то, что усилитель настраивается производителем и не требует регулировки со стороны заказчика. Недостатком является то, что предохранитель EPROM занимает место на микросхеме, что затрудняет размещение устройств с настройкой EPROM в очень компактных корпусах. Как и усилители общего назначения, эта архитектура будет чувствительна к факторам окружающей среды, таким как температура, а также к изменениям синфазного и рабочего напряжений.
Лазерная настройка.
Еще один метод, часто используемый для повышения точности операционного усилителя, — это лазерная настройка. В этом процессе лазер используется для регулировки значения сопротивления тонкопленочных резисторов, интегрированных в кремниевую пластину. Точность этого метода может быть относительно высокой, поскольку процесс настройки является непрерывным, в отличие от серии дискретных шагов при настройке EPROM. Еще одним преимуществом является то, что тонкопленочные резисторы по своей природе более термостабильны, что повышает точность усилителя в широком диапазоне температур.
Однако лазерная настройка должна выполняться на уровне пластины и не может быть произведена внутри корпуса устройства. Процессы разрезания пластины на отдельные чипы, размещения чипа в корпусе и подключения чипа к выводам корпуса могут вызывать механическое напряжение на пластине, что негативно сказывается на общей точности устройства. Эти изменения, связанные со сборкой, не могут быть оценены в усилителях с лазерной настройкой и, следовательно, вносят погрешность в работу усилителя.
Подобно энергонезависимым предохранителям EPROM, лазерная настройка выполняется только один раз на этапе производства устройства, без возможности повторной настройки. Изменения внешних условий эксплуатации, таких как колебания температуры и рабочего напряжения, негативно влияют на точность усилителя и могут напрямую сказаться на общей производительности конструкции.
Операционные усилители с автоматической обнулением:
Архитектура с автоматической обнулением представляет собой архитектуру непрерывной самокоррекции, использующую нулевой усилитель для коррекции смещения напряжения основного усилителя. Эта архитектура обеспечивает сверхнизкую ошибку смещения, которая может быть в 100 раз лучше, чем у усилителя с настройкой через EPROM. Она также обеспечивает низкий дрейф смещения и устраняет шум 1/f, обеспечивая при этом превосходное питание и подавление синфазных помех. Поскольку эта архитектура автоматически и непрерывно корректирует входное напряжение смещения, она по своей природе нечувствительна к окружающей среде. Изменения, вызванные температурой и старением, а также изменения рабочего и синфазного напряжения, будут оказывать очень незначительное влияние на точность усилителя с автоматической обнулением. Поскольку схема самокоррекции интегрирована в схему, не требуется специальный вход. С точки зрения системы, операционный усилитель с автоматической обнулением, такой как MCP6V0, показанный на рисунке 1, выглядит и функционирует так же, как стандартный операционный усилитель, и добавляет преимущество исключительной производительности.
Несмотря на все эти преимущества, архитектура с самообнулением и самокоррекцией имеет некоторые ограничения. Непрерывное переключение внутренней схемы коррекции генерирует коммутационные шумы, а также приводит к более высокому току покоя для заданной полосы пропускания. Наконец, из-за сверхвысокой точности устройств этого типа время проверки может быть относительно большим, что делает их производство более дорогостоящим.
Интегрированная калибровка.
Другой альтернативой является использование высокоточного операционного усилителя со встроенной калибровочной схемой. Технология калибровки mCal от Microchip позволяет операционным усилителям достигать начального напряжения смещения на уровне других архитектур, но в отличие от усилителей с EPROM или лазерной настройкой, калибровка активируется сразу после подключения питания или через внешний калибровочный вывод. Это позволяет пользователю перекалибровывать усилитель по мере необходимости.
Частая перекалибровка может сделать точность усилителя нечувствительной к окружающей среде. Например, если заказчика очень беспокоит температурный дрейф, ошибку дрейфа можно минимизировать, перекалибровывая устройство каждый раз, когда температура изменяется на пять градусов. Хотя это решение может значительно уменьшить температурный дрейф усилителя, оно также требует от пользователя активного запуска процедуры калибровки путем подключения калибровочного вывода к усилителю.
Выводы:
Во многих областях применения могут быть полезны операционные усилители с более высокой точностью, но для выбора подходящего усилителя разработчикам необходимо понимать сильные и слабые стороны каждой используемой архитектуры, обеспечивающей низкое смещение. Хотя все описанные выше архитектуры обеспечивают низкое начальное напряжение смещения, условия окружающей среды также могут влиять на точность усилителя. Использование усилителя с непрерывной самокорректирующейся архитектурой, например, усилителя с автоматической калибровкой или усилителя с возможностью перекалибровки с использованием технологии mCal, минимизирует негативное влияние внешних условий. В таблице 1 приведены факторы, которые следует учитывать при оценке того, какая архитектура усилителя лучше всего подходит для конкретного применения.
