自動(dòng)歸零運算放大器在便攜式訊號調理中的應用

　　斬波式放大器已經(jīng)使用幾十年了，其歷史可追溯到上世紀六十年代。斬波放大器的發(fā)明主要是用來(lái)滿(mǎn)足對超低偏置和低漂移運算放大器的需求，這種放大器比當時(shí)的雙極運算放大器優(yōu)異。在當初的斬波放大器中，放大器的輸入和輸出為開(kāi)關(guān)(或斷續)式，輸入訊號被調變，目的是補償偏置誤差，而在輸出端則無(wú)調變。這種技術(shù)雖然解決了低失調電壓和低漂移問(wèn)題，但也存在其它約束。由于到放大器的輸入被采樣，輸入訊號的頻率必須低于斬波頻率的一半，目的是為了防止混迭。除了頻寬的約束外，斬波還引起許多較大的干擾，故需在輸出端對這些紋波進(jìn)行平滑濾波。

　　后來(lái)，對斬波放大器進(jìn)行改進(jìn)，透過(guò)自校準形成了一種穩定斬波的運算放大器。這種架構中采用了兩個(gè)放大器，即一個(gè)主放大器、一個(gè)零點(diǎn)放大器，如圖1所示。零點(diǎn)放大器透過(guò)將輸入短路到地并施加一個(gè)校準系數到其調零端來(lái)校正自己的偏置誤差，然后來(lái)監視并校準主放大器的偏置。相對于老式斬波放大器，這種結構具有一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)，因為主放大器可以始終連接到IC的輸入和輸出。于是主放大器的頻寬決定輸入訊號的頻寬。因此，輸入頻寬不再依賴(lài)斬波頻率。但來(lái)自開(kāi)關(guān)動(dòng)作的電荷注入仍然是一個(gè)問(wèn)題，將會(huì )引起瞬變并與輸入訊號耦合，因而引起互調失真。

　　圖1：簡(jiǎn)化的穩定式斬波功能架構圖。

　　自動(dòng)歸零結構在概念上類(lèi)似于分別具有一個(gè)調零放大器和一個(gè)主放大器的穩定斬波放大器。不過(guò)，相對于穩定斬波放大器，在降低噪聲，電荷注入乃至其它性能方面，后來(lái)都取得了很大的改進(jìn)。各制造商采用不同的術(shù)語(yǔ)來(lái)定義這種結構，如‘自動(dòng)歸零’，‘自校準調零’以及‘零漂移’等。無(wú)論術(shù)語(yǔ)上怎么叫，背后的基本概念都是一樣的。

　　自動(dòng)歸零結構的優(yōu)點(diǎn)

　　如上所述，自動(dòng)歸零結構不斷對放大器的失調電壓誤差進(jìn)行自校準。相對于傳統的放大器，這造就了以下幾個(gè)顯著(zhù)的優(yōu)點(diǎn)。

　　低失調電壓：由于調零放大器不斷地消除其自身的失調電壓，并隨后對主放大器施加一個(gè)校正系數。校正的頻率與實(shí)際設計有關(guān)，但通常每秒有幾千次。例如，Microchip 的MCP6V01自動(dòng)歸零放大器，每隔100 μs對主放大器校準一次，或者說(shuō)每秒10,000次。由于連續不斷的校準，使得失調電壓比傳統運算放大器低許多。此外，校準偏移電壓的過(guò)程中也對其他的直流指標進(jìn)行了校準，例如電源抑制和共模抑制。因此，自動(dòng)歸零放大器還能實(shí)現比傳統放大器更好的抑制性能。

　　低溫度和時(shí)間漂移：所有放大器，無(wú)論采用什么制程技術(shù)和結構，其失調電壓都會(huì )隨溫度和時(shí)間而變化。絕大多數運算放大器都采用V/℃來(lái)定義溫度漂移。該漂移可能隨著(zhù)不同放大器而存在很大的差異，但對于傳統的放大器，通常每度變化為幾微伏到幾十微伏。該溫度漂移對于高精密度應用來(lái)說(shuō)是一個(gè)嚴重的問(wèn)題，與初始漂移誤差不一樣，該漂移無(wú)法利用一次性系統校準技術(shù)進(jìn)行校準。

　　除了溫度漂移外，放大器的失調電壓還會(huì )隨著(zhù)時(shí)間而變化。對于傳統的運算放大器，該時(shí)間漂移(有時(shí)稱(chēng)作為老化)通常在數據頁(yè)中沒(méi)有指明，不過(guò)隨著(zhù)組件的老化也會(huì )產(chǎn)生很大的誤差。

　　由于對漂移電壓進(jìn)行連續不斷的自校準，自動(dòng)歸零結構從本質(zhì)上將溫度漂移和時(shí)間漂移降到最小。于是，自動(dòng)歸零放大器可以實(shí)現比傳統運算放大器高得多的漂移性能。例如， MCP6V01運算放大器的最大溫度漂移僅有50 nV/℃。

　　無(wú)1/f噪聲：1/f噪聲，或閃爍噪聲，是由于傳導信道的不規則性以及晶體管內偏置電流的噪聲所引起的低頻現象。在高頻段，1/f噪聲可以忽略，因為來(lái)自其它噪聲源的白噪聲將開(kāi)始處于主導地位。如果輸入訊號接近直流，如來(lái)自應力計、壓力傳感器和熱電偶的輸出訊號，則此時(shí)該低頻噪聲則是一個(gè)很大的問(wèn)題。

　　在采用自動(dòng)歸零放大器中，作為漂移校準的一部份，消除了1/f噪聲。由于該噪聲源呈現在輸入端，且行動(dòng)相對較慢，因此它表現為放大器漂移的一部份并被補償掉。