什么是零漂移放大器？

 

零漂移放大器可動(dòng)態(tài)校正其失調(diào)電壓并重整其噪聲密度。自穩(wěn)零型和斬波型是兩種常用類型，可實(shí)現(xiàn) nV 級(jí)失調(diào)電壓和極低的失調(diào)電壓時(shí)間/溫度漂移。放大器的1/f 噪聲也視為直流誤差，也可一并消除。零漂移放大器為設(shè)計(jì)師提供了很多好處：首先，溫漂和 1/f 噪聲在系統(tǒng)中始終起著干擾作用，很難以其它方式消除，其次，相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的放大器，零漂移放大器具有較高的開環(huán)增益、電源抑制比和共模抑制比，另外，在相同的配置下，其總輸出誤差低于采用標(biāo)準(zhǔn)精密放大器的輸出誤差。

 

零漂移放大器適合哪些應(yīng)用？

 

零漂移放大器適用于預(yù)期設(shè)計(jì)壽命 10 年以上的系統(tǒng)，以及使用高閉環(huán)增益 (>100) 和低頻 (<100 Hz)、低幅度信號(hào)的信號(hào)鏈。應(yīng)用示例包括精密電子秤、醫(yī)療儀器、精密計(jì)量設(shè)備和紅外/電橋/熱電堆傳感器接口。

 

自穩(wěn)零型放大器的工作原理

 

自穩(wěn)零型放大器，如AD8538、AD8638、AD8551 和 AD8571系列，通常分兩個(gè)時(shí)鐘階段校正輸入失調(diào)。在時(shí)鐘階段A中，開關(guān)φA 閉合，開關(guān) φB 斷開，如圖 1 所示。指零放大器的失調(diào)電壓經(jīng)過測(cè)量后，儲(chǔ)存在電容 CM1上。

 

圖1. 自穩(wěn)零型放大器的階段A：零點(diǎn)校準(zhǔn)階段

 

在時(shí)鐘階段 B 中，開關(guān)φB 閉合，開關(guān)φA 斷開，如圖 2 所示。主放大器的失調(diào)電壓經(jīng)過測(cè)量后，儲(chǔ)存在電容CM2上，同時(shí)，儲(chǔ)存在電容CM1中的電壓調(diào)節(jié)指零放大器的失調(diào)。進(jìn)而，在處理輸入信號(hào)時(shí)將總失調(diào)電壓施加到主放大器上。

 

圖 2. 自穩(wěn)零型放大器的階段 B：自穩(wěn)零階段

 

采樣保持功能會(huì)將自穩(wěn)零型放大器變?yōu)椴蓸訑?shù)據(jù)系統(tǒng)，使其容易發(fā)生混疊和折回效應(yīng)。低頻時(shí)，噪聲變化緩慢，因此兩個(gè)連續(xù)噪聲采樣相減可實(shí)現(xiàn)真正的抵消。高頻時(shí)，這種相關(guān)性減弱，相減誤差導(dǎo)致寬帶成分折回基帶。因此，自穩(wěn)零型放大器的帶內(nèi)噪聲高于標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器。為了減少低頻噪聲，必須提高采樣頻率，但這會(huì)引入額外的電荷注入。信號(hào)路徑僅包括主放大器，因而可以獲得相對(duì)較大的單位增益帶寬。

 

斬波放大器的工作原理

 

圖 3 顯示斬波型放大器 ADA4051 的功能框圖，它采用本地自動(dòng)校正反饋 (ACFB) 環(huán)路。主信號(hào)路徑包括輸入斬波網(wǎng)絡(luò)CHOP1、跨導(dǎo)放大器 Gm1、輸出斬波網(wǎng)絡(luò) CHOP2 和跨導(dǎo)放大器Gm2。CHOP1 和CHOP2 將來自Gm 1 初始失調(diào)和1/f 噪聲調(diào)制到斬波頻率。跨導(dǎo)放大器 Gm3 檢測(cè) CHOP2 輸出端的調(diào)制紋波，斬波網(wǎng)絡(luò) CHOP3 將該紋波解調(diào)回 DC。所有三個(gè)斬波網(wǎng)絡(luò)的開關(guān)頻率均為40 kHz。最后，跨導(dǎo)放大器Gm4 消除 Gm1 輸出端的直流成分，否則，它會(huì)作為紋波出現(xiàn)在總輸出中。開關(guān)電容陷波濾波器 (SCNF) 有選擇地抑制不需要的失調(diào)相關(guān)紋波，但不會(huì)干擾總輸出中的有用輸入信號(hào)，它與斬波時(shí)鐘同步，以便完全地濾除調(diào)制分量。

 

圖3. ADA4051 所用斬波方案

 

這兩種技術(shù)可以結(jié)合使用嗎？

 

ADI公司新系列放大器正是這樣做的。圖4所示的零漂移放大器AD8628同時(shí)使用自穩(wěn)零和斬波技術(shù)來降低斬波頻率時(shí)的能量，同時(shí)將低頻噪聲保持在非常低的水平。相對(duì)于傳統(tǒng)零漂移放大器，這種技術(shù)組合可以實(shí)現(xiàn)更寬的帶寬。

 

圖 4. AD8628 集自穩(wěn)零和斬波于一體，可實(shí)現(xiàn)更寬的帶寬

 

使用零漂移放大器時(shí)會(huì)遇到哪些應(yīng)用問題？

 

零漂移放大器是利用數(shù)字電路動(dòng)態(tài)校正模擬失調(diào)誤差的復(fù)合放大器。數(shù)字開關(guān)動(dòng)作會(huì)造成電荷注入、時(shí)鐘饋通、交調(diào)失真和過載恢復(fù)時(shí)間延長，從而可能在設(shè)計(jì)不佳的模擬電路中引起問題。時(shí)鐘饋通的幅度隨著閉環(huán)增益或信號(hào)源阻抗增大而增大；在輸出端增加一個(gè)濾波器，或者在同相輸入端使用一個(gè)低值電阻，可以減小其影響。此外，輸入頻率越接近斬波頻率，零漂移放大器的輸出紋波越大。

 

對(duì)頻率高于內(nèi)部時(shí)鐘頻率的信號(hào)有何影響？

 

頻率高于自穩(wěn)零頻率的信號(hào)會(huì)被放大。自穩(wěn)零型放大器的速度取決于增益帶寬積，后者取決于主放大器，而不是零點(diǎn)校準(zhǔn)放大器；自穩(wěn)零頻率指示何時(shí)開始出現(xiàn)開關(guān)偽像。

 

自穩(wěn)零型與斬波型有何區(qū)別？

 

自穩(wěn)零型通過采樣校正失調(diào)，斬波型則采用調(diào)制和解調(diào)。采樣會(huì)導(dǎo)致噪聲折回基帶，因此自穩(wěn)零型放大器的帶內(nèi)噪聲較大。為了抑制噪聲，需要使用更大電流，因此其功耗一般較高。斬波型放大器具有與其平帶噪聲一致的低頻噪聲，但在斬波頻率時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量能量和諧波。可能需要進(jìn)行輸出濾波，因此這些放大器最適合低頻應(yīng)用。自穩(wěn)零和斬波技術(shù)的典型噪聲特性如圖 5 所示。

 

圖5. 各種放大器結(jié)構(gòu)的典型噪聲與頻率的關(guān)系

 

何時(shí)用自穩(wěn)零型放大器？何時(shí)用斬波型放大器？

 

斬波型放大器適合低功耗、低頻應(yīng)用(<100 Hz)，自穩(wěn)零型放大器則更適合寬帶應(yīng)用。AD8628集自穩(wěn)零和斬波兩種技術(shù)于一體，堪稱要求低噪聲、無開關(guān)毛刺、寬帶寬應(yīng)用的理想之選。表1列出一些設(shè)計(jì)的利弊因素。

 

表1

 

ADI 公司的哪些零漂移放大器最受歡迎？

 

表 2 列出了ADI 公司的一些代表性零漂移放大器。

 

表2

 

表2

 

參考電路

 

1. Bridge-Type Sensor Measurements Are Enhanced by Auto-Zeroed Instrumentation Amplifiers

 

2. Demystifying Auto-Zero Amplifiers—Part 1

 

3. Demystifying Auto-Zero Amplifiers—Part 2

 

4. MT-055 Tutorial, Chopper Stabilized (Auto-Zero) Precision Op Amps

 

 

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