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零漂移運算放大器問答

2013-06-19
作者:Reza Moghimi

什么是零漂移放大器?
零漂移放大器可動態(tài)校正其失調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(tǒng)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(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(tǒng),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(yī)療儀器、精密計量設備和紅外/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。

fig1

圖1. 自穩(wěn)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(jié)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

fig2

圖2. 自穩(wěn)零型放大器的階段B:自穩(wěn)零階段

采樣保持功能會將自穩(wěn)零型放大器變?yōu)椴蓸訑祿到y(tǒng),使其容易發(fā)生混疊和折回效應。低頻時,噪聲變化緩慢,因此兩個連續(xù)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(wěn)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(huán)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??鐚Х糯笃鱃m3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。

fig3

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(wěn)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(tǒng)零漂移放大器,這種技術組合可以實現更寬的帶寬。

fig4

圖4. AD8628集自穩(wěn)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(tài)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(huán)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(wěn)零頻率的信號會被放大。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,而不是零點校準放大器;自穩(wěn)零頻率指示何時開始出現開關偽像。

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,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(wěn)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??赡苄枰M行輸出濾波,因此這些放大器最適合低頻應用。自穩(wěn)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(wěn)零型放大器?何時用斬波型放大器?fig5
斬波型放大器適合低功耗、低頻應用(<100 Hz),自穩(wěn)零型放大器則更適合寬帶應用。AD8628集自穩(wěn)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

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TCVOS 極低失調TCVOS 極低失調TCVOS
采樣保持 調制/解調 采樣保持、調制/解調
混疊導致低頻噪聲較高 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 在斬波頻率上能量很大 在自穩(wěn)零頻率上的能量很小

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。

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