集成直流對(duì)數(shù)放大器

直流對(duì)數(shù)放大器的誤差源

現(xiàn)在的直流對(duì)數(shù)放大器仍然受到與早期產(chǎn)品一樣的限制。等式6是直流對(duì)數(shù)放大器的理想近似。為獲得盡可能精確的表達(dá)式，還必須考慮增益、偏置電流、失調(diào)和線性誤差等誤差項(xiàng)。特別是當(dāng)溫度和時(shí)間漂移導(dǎo)致這些誤差更為嚴(yán)重時(shí)，尤其需要考慮這些方面。

以下等式可更全面的反映基于BJT的直流對(duì)數(shù)放大器特性：



其中，ΔK是增益變化；IBIAS1和IBIAS2分別是LOGIIN和REFIIN輸入偏置電流。VCONF是對(duì)數(shù)一致性誤差，VOSOUT是輸出失調(diào)。前面已經(jīng)定義了K、ILOG、IREF和VOUT。在許多應(yīng)用中，偏置電流的誤差相對(duì)于輸入和基準(zhǔn)電流非常小，通?？梢栽谡`差表達(dá)式中忽略。對(duì)數(shù)一致性誤差定義為實(shí)際輸出相對(duì)于等式6理想對(duì)數(shù)關(guān)系的最大偏移(假設(shè)其它所有誤差源已調(diào)零)。該誤差通常以差值的形式出現(xiàn)，因此可以很容易檢查出相對(duì)于理想曲線的微小偏移(圖5a)。


圖5a. 對(duì)數(shù)一致性誤差曲線通常表示為輸入電流和工作溫度的函數(shù)。

雖然其影響不會(huì)立即體現(xiàn)出來(lái)，但基準(zhǔn)電流IREF是潛在的最大誤差源，它由初始誤差、溫度漂移和器件老化造成的漂移構(gòu)成。在評(píng)估對(duì)數(shù)放大器的全部誤差預(yù)算時(shí)，應(yīng)考慮這些誤差。

圖5b中的轉(zhuǎn)換曲線顯示了這些實(shí)際變化的影響(出于演示目的，對(duì)這些影響進(jìn)行了夸大)。黑色實(shí)線表示理想/期望的情況，其對(duì)數(shù)截距為100nA，增益為1V/10倍程。如藍(lán)色虛線所示，輸出失調(diào)誤差使黑色實(shí)線向上或者向下偏移。增益誤差使由失調(diào)產(chǎn)生的偏移轉(zhuǎn)換特性曲線發(fā)生偏轉(zhuǎn)，并由黑色虛線標(biāo)出。藍(lán)色點(diǎn)線反映了非線性和輸出容限誤差的總體影響。


圖5b. 等式7給出的不同誤差對(duì)對(duì)數(shù)傳遞函數(shù)的影響。為清楚起見(jiàn)，夸大了各誤差。

實(shí)際上，對(duì)數(shù)放大器生產(chǎn)廠商已經(jīng)將本節(jié)中列出的多種誤差降到了最小。采用額外的校準(zhǔn)和溫度監(jiān)視手段，設(shè)計(jì)人員能夠進(jìn)一步降低這些誤差的影響。設(shè)計(jì)人員通常在對(duì)數(shù)放大器輸出數(shù)字化后，采用校準(zhǔn)表來(lái)進(jìn)行校準(zhǔn)。

直流對(duì)數(shù)放大器實(shí)現(xiàn)方案

直流對(duì)數(shù)放大器的性能與其所在電路有關(guān)。良好的設(shè)計(jì)和布板能夠最大程度降低輸入漏電流和元件的溫度特性所造成的影響。但是，僅有良好的設(shè)計(jì)和布板通常還不足以保證實(shí)現(xiàn)大多數(shù)對(duì)數(shù)放大器應(yīng)用所需的性能，特別是在輸入電流和溫度變化較大的情況下。根據(jù)不同的應(yīng)用要求和工作條件，應(yīng)采用恰當(dāng)?shù)男?zhǔn)手段來(lái)減小累積誤差。

構(gòu)建直流對(duì)數(shù)放大器時(shí)，以下一些建議可供參考。

單點(diǎn)校準(zhǔn)
這種“最低性能”的技術(shù)能夠有效地上下移動(dòng)圖5b中的原始性能曲線(藍(lán)色點(diǎn)線)，使其能夠與理想性能曲線(黑色實(shí)線)單點(diǎn)相交。在典型工作溫度下，對(duì)數(shù)放大器的兩個(gè)輸入分別輸入標(biāo)稱輸入電流和基準(zhǔn)電流，其輸出與理想輸出之間會(huì)有一個(gè)偏差。正常工作時(shí)，從對(duì)數(shù)放大器輸出中減去該偏差值。

優(yōu)點(diǎn)：校準(zhǔn)過(guò)程迅速，可在最終產(chǎn)品測(cè)試階段進(jìn)行，并且無(wú)需大量計(jì)算。也可以采用一個(gè)微調(diào)電阻，進(jìn)行模擬校準(zhǔn)。

缺點(diǎn)：增益和失調(diào)誤差校準(zhǔn)統(tǒng)一籠統(tǒng)進(jìn)行。輸入和溫度條件不同于校準(zhǔn)條件時(shí)，校準(zhǔn)值失效。

兩點(diǎn)校準(zhǔn)
比前面的校準(zhǔn)技術(shù)稍微復(fù)雜一些，能夠產(chǎn)生更好的結(jié)果。它能夠有效地旋轉(zhuǎn)和上下移動(dòng)圖5b中的藍(lán)色點(diǎn)線，以逼近理想的黑色實(shí)線。同樣地，應(yīng)選擇典型工作溫度。輸入電流應(yīng)跨越所需的工作范圍。如果在校準(zhǔn)和工作中都采用同一個(gè)基準(zhǔn)電流，則能夠大大簡(jiǎn)化校準(zhǔn)過(guò)程。

優(yōu)點(diǎn)：校準(zhǔn)過(guò)程比較迅速，大大降低了增益和失調(diào)誤差。通過(guò)增益和失調(diào)計(jì)算，可進(jìn)行數(shù)字校準(zhǔn)；也可以采用增益和失調(diào)微調(diào)電阻，進(jìn)行模擬校準(zhǔn)。

缺點(diǎn)：輸入和溫度變化后，校準(zhǔn)值失效。

多點(diǎn)校準(zhǔn)
該技術(shù)由多個(gè)關(guān)鍵采樣點(diǎn)生成一個(gè)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)表。采樣是在恒定工作溫度下進(jìn)行的。通過(guò)在采樣點(diǎn)之間進(jìn)行插值運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)功能。

優(yōu)點(diǎn)：由于可以選擇充分多的重要輸入條件，因此，能夠大大降低增益、失調(diào)和非線性誤差。

缺點(diǎn)：需要某種形式的插值運(yùn)算，這增加了計(jì)算量。輸入和溫度變化后，校準(zhǔn)失效。

溫度調(diào)整校準(zhǔn)
與多點(diǎn)校準(zhǔn)類似，該技術(shù)同時(shí)還考慮了測(cè)試溫度，額外增加了一個(gè)獨(dú)立變量。

優(yōu)點(diǎn)：該技術(shù)極大地降低了增益、失調(diào)、非線性誤差以及溫度變化對(duì)總誤差的影響。是高性能、小批量產(chǎn)品的不錯(cuò)選擇。

缺點(diǎn)：由于跨越整個(gè)溫度范圍進(jìn)行校準(zhǔn)，因此最終產(chǎn)品測(cè)試階段的校準(zhǔn)時(shí)間大大延長(zhǎng)。采樣數(shù)據(jù)的多維插值運(yùn)算需要占用更多的計(jì)算資源。還需要額外的溫度監(jiān)視電路。

維持合適的輸入容限
對(duì)數(shù)放大器輸出不應(yīng)靠近電源擺幅，這是因?yàn)榭拷娫磾[幅時(shí)，其源出和吸收電流的能力將受到限制。當(dāng)試圖測(cè)量的電流接近或低于基準(zhǔn)電流、或者接近最大輸入電流時(shí)，很容易忽視這一建議。選擇的基準(zhǔn)電流應(yīng)低于最低輸入電流。仔細(xì)設(shè)置增益，以保證在最大輸入電流時(shí)，輸出不會(huì)達(dá)到對(duì)數(shù)放大器最大輸出電壓。雙電源對(duì)數(shù)放大器也會(huì)有助于解決該問(wèn)題，因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)設(shè)計(jì)中，相同的輸入和基準(zhǔn)電流使放大器輸出處于中間值。

優(yōu)點(diǎn)：提高了極端輸入條件下的精度和響應(yīng)時(shí)間。

缺點(diǎn)：可用輸出范圍略有降低。

元件選則
采用溫度系數(shù)較低的同一類型外部電阻。這對(duì)于那些電阻值會(huì)影響性能的電阻(例如，基準(zhǔn)電流產(chǎn)生電路)來(lái)說(shuō)，尤其重要。對(duì)于受電阻比例影響的參數(shù)，如增益和失調(diào)，溫度改變所產(chǎn)生的影響較小。補(bǔ)償元件的溫度穩(wěn)定性一般不是很關(guān)鍵。為避免測(cè)量小電流時(shí)的泄漏問(wèn)題，應(yīng)考慮采用低泄漏PCB材。

優(yōu)點(diǎn)：最大程度降低由外部元件造成的性能惡化。

缺點(diǎn)：低溫度系數(shù)元件一般稍微貴一些，但考慮到它們能夠顯著提高性能，還是物有所值。

保持溫度環(huán)境一致
對(duì)數(shù)放大器電路的任何部分都不應(yīng)該與電路的其它部分處在明顯不同的溫度下。這種防范措施可保證溫度變化對(duì)所有電路的影響盡量相同。

優(yōu)點(diǎn)：校準(zhǔn)過(guò)程中消除了額外的獨(dú)立變量。

缺點(diǎn)：可能會(huì)對(duì)布局布線或者電路整體尺寸設(shè)計(jì)帶來(lái)不便。

結(jié)論

總之，直流對(duì)數(shù)放大器已經(jīng)發(fā)展為小型、易于使用的高性價(jià)比電路，非常適合某些模擬設(shè)計(jì)。對(duì)數(shù)功能可方便地壓縮寬動(dòng)態(tài)范圍信號(hào)，對(duì)傳遞函數(shù)為 準(zhǔn))指數(shù)的傳感器線性化。數(shù)字化寬動(dòng)態(tài)范圍信號(hào)需要高分辨率ADC，而對(duì)數(shù)函數(shù)的壓縮功能支持使用低分辨率ADC。直流對(duì)數(shù)放大器IC的電路實(shí)現(xiàn)比較直觀，只需很小的努力即可實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)化。校準(zhǔn)能夠提高對(duì)數(shù)放大器的性能，但并不是所有的應(yīng)用都必須校準(zhǔn)。