什麼是零漂移放大器？

 

零漂移放大器可動態校正其失調電壓並重整其噪聲密度。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，也可一並消除。零漂移放大器為設計師提供了很多好處：首先，溫漂和 1/f 噪聲在係統中始終起著幹擾作用，很難以其它方式消除
，其次
，相對於標準的放大器，零漂移放大器具有較高的開環增益、電源抑製比和共模抑製比
，另外
，在相同的配置下，其總輸出誤差低於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？

 

零漂移放大器適用於預期設計壽命 10 年以上的係統，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係列
，通常分兩個時鍾階段校正輸入失調。在時鍾階段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後，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

 

在時鍾階段 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後，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(cai)樣(yang)保(bao)持(chi)功(gong)能(neng)會(hui)將(jiang)自(zi)穩(wen)零(ling)型(xing)放(fang)大(da)器(qi)變(bian)為(wei)采(cai)樣(yang)數(shu)據(ju)係(xi)統(tong)，使(shi)其(qi)容(rong)易(yi)發(fa)生(sheng)混(hun)疊(die)和(he)折(zhe)回(hui)效(xiao)應(ying)。低(di)頻(pin)時(shi)

，噪(zao)聲(sheng)變(bian)化(hua)緩(huan)慢(man)，因(yin)此(ci)兩(liang)個(ge)連(lian)續(xu)噪(zao)聲(sheng)采(cai)樣(yang)相(xiang)減(jian)可(ke)實(shi)現(xian)真(zhen)正(zheng)的(de)抵(di)消(xiao)。高(gao)頻(pin)時(shi)，這(zhe)種(zhong)相(xiang)關(guan)性(xing)減(jian)弱(ruo)

，相(xiang)減(jian)誤(wu)差(cha)導(dao)致(zhi)寬(kuan)帶(dai)成(cheng)分(fen)折(zhe)回(hui)基(ji)帶(dai)。因(yin)此(ci)，自(zi)穩(wen)零(ling)型(xing)放(fang)大(da)器(qi)的(de)帶(dai)內(nei)噪(zao)聲(sheng)高(gao)於(yu)標(biao)準(zhun)運(yun)算(suan)放(fang)大(da)器(qi)。為(wei)了(le)減(jian)少(shao)低(di)頻(pin)噪(zao)聲(sheng)，必(bi)須(xu)提(ti)高(gao)采(cai)樣(yang)頻(pin)率(lv)
，但(dan)這(zhe)會(hui)引(yin)入(ru)額(e)外(wai)的(de)電(dian)荷(he)注(zhu)入(ru)。信(xin)號(hao)路(lu)徑(jing)僅(jin)包(bao)括(kuo)主(zhu)放(fang)大(da)器(qi)
，因(yin)而(er)可(ke)以(yi)獲(huo)得(de)相(xiang)對(dui)較(jiao)大(da)的(de)單(dan)位(wei)增(zeng)益(yi)帶(dai)寬(kuan)。

 

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 噪聲調製到斬波頻率。跨導放大器 Gm3 檢測 CHOP2 輸出端的調製紋波
，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。最後，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) 有選擇地抑製不需要的失調相關紋波，但不會幹擾總輸出中的有用輸入信號，它與斬波時鍾同步，以便完全地濾除調製分量。

 

圖3. ADA4051 所用斬波方案

 

這兩種技術可以結合使用嗎？

 

ADI公司新係列放大器正是這樣做的。圖4所示的零漂移放大器AD8628tongshishiyongziwenlinghezhanbojishulaijiangdizhanbopinlvshidenengliang，tongshijiangdipinzaoshengbaochizaifeichangdideshuiping。xiangduiyuchuantonglingpiaoyifangdaqi
，zhezhongjishuzuhekeyishixiangengkuandedaikuan。

 

圖 4. AD8628 集自穩零和斬波於一體，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複合放大器。數字開關動作會造成電荷注入、時鍾饋通、交調失真和過載恢複時間延長，從而可能在設計不佳的模擬電路中引起問題。時鍾饋通的幅度隨著閉環增益或信號源阻抗增大而增大
；在zai輸shu出chu端duan增zeng加jia一yi個ge濾lv波bo器qi，或huo者zhe在zai同tong相xiang輸shu入ru端duan使shi用yong一yi個ge低di值zhi電dian阻zu，可ke以yi減jian小xiao其qi影ying響xiang。此ci外wai，輸shu入ru頻pin率lv越yue接jie近jin斬zhan波bo頻pin率lv
，零ling漂piao移yi放fang大da器qi的de輸shu出chu紋wen波bo越yue大da。

 

對頻率高於內部時鍾頻率的信號有何影響
？

 

頻率高於自穩零頻率的信號會被放大。自穩零型放大器的速度取決於增益帶寬積，後者取決於主放大器，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zi穩wen零ling型xing通tong過guo采cai樣yang校xiao正zheng失shi調tiao
，斬zhan波bo型xing則ze采cai用yong調tiao製zhi和he解jie調tiao。采cai樣yang會hui導dao致zhi噪zao聲sheng折zhe回hui基ji帶dai，因yin此ci自zi穩wen零ling型xing放fang大da器qi的de帶dai內nei噪zao聲sheng較jiao大da。為wei了le抑yi製zhi噪zao聲sheng，需xu要yao使shi用yong更geng大da電dian流liu
，因yin此ci其qi功gong耗hao一yi般ban較jiao高gao。斬zhan波bo型xing放fang大da器qi具ju有you與yu其qi平ping帶dai噪zao聲sheng一yi致zhi的de低di頻pin噪zao聲sheng
，但dan在zai斬zhan波bo頻pin率lv時shi會hui產chan生sheng大da量liang能neng量liang和he諧xie波bo。可ke能neng需xu要yao進jin行xing輸shu出chu濾lv波bo，因yin此ci這zhe些xie放fang大da器qi最zui適shi合he低di頻pin應ying用yong。自zi穩wen零ling和he斬zhan波bo技ji術shu的de典dian型xing噪zao聲sheng特te性xing如ru圖tu 5 所示。

 

圖5. 各種放大器結構的典型噪聲與頻率的關係

 

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於一體，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

 

 

推薦閱讀：