什么是零漂移放大器？

 

零漂移放大器可動態校正其失調電壓并重整其噪聲密度。自穩零型和斬波型是兩種常用類型，可實現 nV 級失調電壓和極低的失調電壓時間/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。零漂移放大器為設計師提供了很多好處：首先，溫漂和 1/f 噪聲在系統中始終起著干擾作用，很難以其它方式消除，其次，相對于標準的放大器，零漂移放大器具有較高的開環增益、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準精密放大器的輸出誤差。

 

零漂移放大器適合哪些應用？

 

零漂移放大器適用于預期設計壽命 10 年以上的系統，以及使用高閉環增益 (>100) 和低頻 (<100 Hz)、低幅度信號的信號鏈。應用示例包括精密電子秤、醫療儀器、精密計量設備和紅外/電橋/熱電堆傳感器接口。

 

自穩零型放大器的工作原理

 

自穩零型放大器，如AD8538、AD8638、AD8551 和 AD8571系列，通常分兩個時鐘階段校正輸入失調。在時鐘階段A中，開關φA 閉合，開關 φB 斷開，如圖 1 所示。指零放大器的失調電壓經過測量后，儲存在電容 CM1上。

 

圖1. 自穩零型放大器的階段A：零點校準階段

 

在時鐘階段 B 中，開關φB 閉合，開關φA 斷開，如圖 2 所示。主放大器的失調電壓經過測量后，儲存在電容CM2上，同時，儲存在電容CM1中的電壓調節指零放大器的失調。進而，在處理輸入信號時將總失調電壓施加到主放大器上。

 

圖 2. 自穩零型放大器的階段 B：自穩零階段

 

采樣保持功能會將自穩零型放大器變為采樣數據系統，使其容易發生混疊和折回效應。低頻時，噪聲變化緩慢，因此兩個連續噪聲采樣相減可實現真正的抵消。高頻時，這種相關性減弱，相減誤差導致寬帶成分折回基帶。因此，自穩零型放大器的帶內噪聲高于標準運算放大器。為了減少低頻噪聲，必須提高采樣頻率，但這會引入額外的電荷注入。信號路徑僅包括主放大器，因而可以獲得相對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，它采用本地自動校正反饋 (ACFB) 環路。主信號路徑包括輸入斬波網絡CHOP1、跨導放大器 Gm1、輸出斬波網絡 CHOP2 和跨導放大器Gm2。CHOP1 和CHOP2 將來自Gm 1 初始失調和1/f 噪聲調制到斬波頻率。跨導放大器 Gm3 檢測 CHOP2 輸出端的調制紋波，斬波網絡 CHOP3 將該紋波解調回 DC。所有三個斬波網絡的開關頻率均為40 kHz。最后，跨導放大器Gm4 消除 Gm1 輸出端的直流成分，否則，它會作為紋波出現在總輸出中。開關電容陷波濾波器 (SCNF) 有選擇地抑制不需要的失調相關紋波，但不會干擾總輸出中的有用輸入信號，它與斬波時鐘同步，以便完全地濾除調制分量。

 

圖3. ADA4051 所用斬波方案

 

這兩種技術可以結合使用嗎？

 

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同時使用自穩零和斬波技術來降低斬波頻率時的能量，同時將低頻噪聲保持在非常低的水平。相對于傳統零漂移放大器，這種技術組合可以實現更寬的帶寬。

 

圖 4. AD8628 集自穩零和斬波于一體，可實現更寬的帶寬

 

使用零漂移放大器時會遇到哪些應用問題？

 

零漂移放大器是利用數字電路動態校正模擬失調誤差的復合放大器。數字開關動作會造成電荷注入、時鐘饋通、交調失真和過載恢復時間延長，從而可能在設計不佳的模擬電路中引起問題。時鐘饋通的幅度隨著閉環增益或信號源阻抗增大而增大；在輸出端增加一個濾波器，或者在同相輸入端使用一個低值電阻，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。

 

對頻率高于內部時鐘頻率的信號有何影響？

 

頻率高于自穩零頻率的信號會被放大。自穩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，而不是零點校準放大器；自穩零頻率指示何時開始出現開關偽像。

 

自穩零型與斬波型有何區別？

 

自穩零型通過采樣校正失調，斬波型則采用調制和解調。采樣會導致噪聲折回基帶，因此自穩零型放大器的帶內噪聲較大。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，但在斬波頻率時會產生大量能量和諧波。可能需要進行輸出濾波，因此這些放大器最適合低頻應用。自穩零和斬波技術的典型噪聲特性如圖 5 所示。

 

圖5. 各種放大器結構的典型噪聲與頻率的關系

 

何時用自穩零型放大器？何時用斬波型放大器？

 

斬波型放大器適合低功耗、低頻應用(<100 Hz)，自穩零型放大器則更適合寬帶應用。AD8628集自穩零和斬波兩種技術于一體，堪稱要求低噪聲、無開關毛刺、寬帶寬應用的理想之選。表1列出一些設計的利弊因素。

 

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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