零漂移放大器原理及應(yīng)用

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(lèi)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(kāi)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(kāi)關(guān)φA閉合，開(kāi)關(guān)φB斷開(kāi)，如圖1所示。指零放大器的失調(diào)電壓經(jīng)過(guò)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(kāi)關(guān)φB閉合，開(kāi)關(guān)φA斷開(kāi)，如圖2所示。主放大器的失調(diào)電壓經(jīng)過(guò)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(lái)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(kāi)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(kāi)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(lái)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(wèn)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(kāi)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(guò)載恢復(fù)時(shí)間延長(zhǎng)，從而可能在設(shè)計(jì)不佳的模擬電路中引起問(wèn)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(kāi)始出現(xiàn)開(kāi)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(guò)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?？赡苄枰M(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(chēng)要求低噪聲、無(wú)開(kāi)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