零漂移放大器基礎知識

1 什么是零漂移放大器?

　　零漂移放大器是指失調電壓漂移接近于0的放大器。它連續自動(dòng)校正任何直流誤差，實(shí)現超低水平的失調電壓、時(shí)間漂移和溫度漂移。零漂移放大器的常見(jiàn)特性包括：超低失調電壓和漂移、高開(kāi)環(huán)增益、高電源抑制、高共模抑制以及零1/f噪聲。

　　2 零漂移放大器有哪些常見(jiàn)應用?

　　零漂移放大器常用于使用低幅度信號、頻率低于100Hz、要求高閉環(huán)增益的精密應用。此類(lèi)應用包括：精密電子秤、稱(chēng)重傳感器、橋式/熱電偶傳感器前端、醫療儀器和精密計量設備。

　　3 為什么零漂移放大器常用于低頻傳感器信號調理系統?

　　傳感器產(chǎn)生的輸出電壓通常很低，需要通過(guò)具有高增益、低噪聲和精密直流性能的信號調理電路進(jìn)行調理。然而，失調電壓、漂移和1/f噪聲會(huì )引起誤差，尤其會(huì )影響直流或低頻、低電平電壓測量。這些直流不精確性被電路增益級放大后，會(huì )導致輸出電壓偏移。因此，必須最大程度地降低失調電壓和漂移，消除1/f噪聲，利用零漂移放大器可以實(shí)現最佳的信號調理。

　　4 零漂移設計技術(shù)有哪些?

　　零漂移放大器可以采用不同的技術(shù)來(lái)設計：自穩零、斬波或二者之組合。每種技術(shù)都有其優(yōu)缺點(diǎn)，適合不同的應用。自穩零使用采樣保持技術(shù)，由于噪聲折回基帶，其帶內電壓噪聲較大。斬波使用信號調制和解調技術(shù)，基帶噪聲較低，但在斬波頻率及其諧波處會(huì )產(chǎn)生噪聲能量譜。為了降低低頻噪聲和斬波頻率處的噪聲能量，可以綜合使用這兩種技術(shù)。

　　5 哪種設計技術(shù)更適合我的應用?

　　這取決于您的具體應用。斬波放大器更適合直流或低頻應用，自穩零放大器則更適合寬帶寬應用。綜合運用自穩零和斬波技術(shù)的零漂移放大器適用于寬帶寬和低噪聲應用。然而，最新推出的零漂移放大器ADA4528-1采用創(chuàng )新斬波技術(shù)，實(shí)現了更高的斬波頻率(200KHz)、更低的失調電壓、漂移和噪聲。這些特性使它能夠用在傳統斬波放大器無(wú)法使用的寬帶寬應用。

　　6 業(yè)界最新的零漂移放大器設計技術(shù)是什么?

　　零漂移放大器設計技術(shù)已經(jīng)取得了多項突破。最近，ADI公司為一種新型斬波技術(shù)申請了專(zhuān)利，它利用一個(gè)稱(chēng)為自動(dòng)校正反饋(ACFB)的本地反饋環(huán)路來(lái)消除失調電壓。該反饋環(huán)路有助于實(shí)現更低的失調電壓和漂移，從而防止在整個(gè)輸出中出現電壓紋波。其簡(jiǎn)化框圖如圖1所示。它由一條帶自動(dòng)校正反饋(ACFB)功能的高直流增益路徑和一條高頻前饋路徑并聯(lián)而成。輸入基帶信號最初由輸入斬波開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò )CHOP1調制。然后，輸出斬波開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò )CHOP2解調輸入信號，并將跨導放大器Gm1的初始失調和1/f噪聲調制到斬波頻率。在A(yíng)CFB環(huán)路中，初始失調和1/f噪聲由斬波網(wǎng)絡(luò )CHOP3解調到直流域，經(jīng)過(guò)陷波濾波器濾波后饋入Gm1的調零輸入端。Gm1進(jìn)而消除初始失調和1/f噪聲。這樣，ACFB環(huán)路有選擇性地抑制不需要的失調電壓和1/f噪聲，同時(shí)又不會(huì )干擾所需的輸入基帶信號。高頻前饋路徑的作用是放大接近或高于斬波頻率的任何高頻輸入信號，它還能旁路ACFB環(huán)路造成的相移。

　　圖1：放大器功能框圖

　　7 零漂移放大器的電壓噪聲密度特性與非零漂移放大器有何不同?

　　1/f噪聲又稱(chēng)閃爍噪聲，是半導體器件的固有特性，隨著(zhù)頻率降低而提高。因此，它是直流或低頻時(shí)的主要噪聲。放大器的1/f轉折頻率是指閃爍噪聲與寬帶噪聲相等時(shí)的頻率。圖2顯示了一個(gè)非零漂移放大器的電壓噪聲密度示例，其1/f轉折頻率為800Hz。對于直流或低頻應用，1/f噪聲是主要的噪聲源，如果被電路噪聲增益放大，它會(huì )產(chǎn)生顯著(zhù)的輸出電壓噪聲。另一方面，零漂移放大器對該電壓噪聲進(jìn)行整形，以便消除1/f噪聲。由于1/f噪聲表現為緩慢變化的失調量，因此能被斬波技術(shù)有效消除。當噪聲頻率接近DC時(shí)，校正變得更加有效，噪聲隨著(zhù)頻率降低而指數式提高的傾向得以消除。因此，比起標準型低噪聲放大器，零漂移放大器的0.1Hz至10Hz電壓噪聲通常低的多，因為標準型低噪聲放大器的0.1Hz至10Hz電壓噪聲易受1/f噪聲的影響。圖3顯示了一個(gè)無(wú)1/f電壓噪聲的零漂移放大器的電壓噪聲密度。

　　圖2：非零漂移放大器：電壓噪聲密度與頻率的關(guān)系

　　圖3：零漂移放大器：電壓噪聲密度與頻率的關(guān)系