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[導(dǎo)讀]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

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??鐚?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(zhǎng),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

自穩(wěn)零型 斬波穩(wěn)定型 斬波穩(wěn)定型 + 自穩(wěn)零型
極低失調(diào)TCVOS 極低失調(diào)TCVOS 極低失調(diào)TCVOS
采樣保持 調(diào)制/解調(diào) 采樣保持、調(diào)制/解調(diào)
混疊導(dǎo)致低頻噪聲較高 類似于平帶噪聲(無混疊) 隨頻率分布的組合噪聲
功耗較高 功耗較低 功耗較高
寬帶寬 窄帶寬 帶寬最寬
紋波最小 紋波最大 紋波水平低于斬波型
在自穩(wěn)零頻率上的能量很小 斬波頻率上能量很大 在自穩(wěn)零頻率上的能量很小

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