【導讀】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(huán)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。
什么是零漂移放大器？
零漂移放大器可動(dòng)態(tài)校正其失調電壓并重整其噪聲密度。自穩零型和斬波型是兩種常用類(lèi)型，可實(shí)現 nV 級失調電壓和極低的失調電壓時(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(zhù)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(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(huán)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(gè)時(shí)鐘階段校正輸入失調。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。指零放大器的失調電壓經(jīng)過(guò)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(diǎn)校準階段
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。主放大器的失調電壓經(jīng)過(guò)測量后，儲存在電容CM2上，同時(shí)，儲存在電容CM1中的電壓調節指零放大器的失調。進(jìn)而，在處理輸入信號時(shí)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(huì )將自穩零型放大器變?yōu)椴蓸訑祿到y，使其容易發(fā)生混疊和折回效應。低頻時(shí)，噪聲變化緩慢，因此兩個(gè)連續噪聲采樣相減可實(shí)現真正的抵消。高頻時(shí)，這種相關(guān)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(huì )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(dòng)校正反饋 (ACFB) 環(huán)路。主信號路徑包括輸入斬波網(wǎng)絡(luò )CHOP1、跨導放大器 Gm1、輸出斬波網(wǎng)絡(luò ) CHOP2 和跨導放大器Gm2。CHOP1 和CHOP2 將來(lái)自Gm 1 初始失調和1/f 噪聲調制到斬波頻率?？鐚Х糯笃?Gm3 檢測 CHOP2 輸出端的調制紋波，斬波網(wǎng)絡(luò ) CHOP3 將該紋波解調回 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相關(guān)紋波，但不會(huì )干擾總輸出中的有用輸入信號，它與斬波時(shí)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(shù)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(shí)使用自穩零和斬波技術(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。相對于傳統零漂移放大器，這種技術(shù)組合可以實(shí)現更寬的帶寬。
圖 4. AD8628 集自穩零和斬波于一體，可實(shí)現更寬的帶寬
使用零漂移放大器時(shí)會(huì )遇到哪些應用問(wèn)題？
零漂移放大器是利用數字電路動(dòng)態(tài)校正模擬失調誤差的復合放大器。數字開(kāi)關(guān)動(dòng)作會(huì )造成電荷注入、時(shí)鐘饋通、交調失真和過(guò)載恢復時(shí)間延長(cháng)，從而可能在設計不佳的模擬電路中引起問(wèn)題。時(shí)鐘饋通的幅度隨著(zhù)閉環(huán)增益或信號源阻抗增大而增大；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。
對頻率高于內部時(shí)鐘頻率的信號有何影響？
頻率高于自穩零頻率的信號會(huì )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(diǎn)校準放大器；自穩零頻率指示何時(shí)開(kāi)始出現開(kāi)關(guān)偽像。
自穩零型與斬波型有何區別？
自穩零型通過(guò)采樣校正失調，斬波型則采用調制和解調。采樣會(huì )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(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用。自穩零和斬波技術(shù)的典型噪聲特性如圖 5 所示。
圖5. 各種放大器結構的典型噪聲與頻率的關(guān)系
何時(shí)用自穩零型放大器？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(shù)于一體，堪稱(chēng)要求低噪聲、無(wú)開(kāi)關(guān)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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