零漂移放大器原理及應用

什么是零漂移放大器？
零漂移放大器可動(dòng)態(tài)校正其失調電壓并重整其噪聲密度。自穩零型和斬波型是兩種常用類(lèi)型，可實(shí)現nV級失調電壓和極低的失調電壓時(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。零漂移放大器為設計師提供了很多好處：首先，溫漂和1/f噪聲在系統中始終起著(zhù)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(kāi)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，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系列，通常分兩個(gè)時(shí)鐘階段校正輸入失調。在時(shí)鐘階段A中，開(kāi)關(guān)φA閉合，開(kāi)關(guān)φB斷開(kāi)，如圖1所示。指零放大器的失調電壓經(jīng)過(guò)測量后，儲存在電容CM1上。

圖1. 自穩零型放大器的階段A：零點(diǎn)校準階段

在時(shí)鐘階段B中，開(kāi)關(guān)φB閉合，開(kāi)關(guān)φA斷開(kāi)，如圖2所示。主放大器的失調電壓經(jīng)過(guò)測量后，儲存在電容CM2上，同時(shí)，儲存在電容CM1中的電壓調節指零放大器的失調。進(jìn)而，在處理輸入信號時(shí)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

采樣保持功能會(huì )將自穩零型放大器變?yōu)椴蓸訑祿到y，使其容易發(fā)生混疊和折回效應。低頻時(shí)，噪聲變化緩慢，因此兩個(gè)連續噪聲采樣相減可實(shí)現真正的抵消。高頻時(shí)，這種相關(guān)性減弱，相減誤差導致寬帶成分折回基帶。因此，自穩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(huì )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(dòng)校正反饋(ACFB)環(huán)路。主信號路徑包括輸入斬波網(wǎng)絡(luò )CHOP1、跨導放大器Gm1、輸出斬波網(wǎng)絡(luò )CHOP2和跨導放大器Gm2。CHOP1和CHOP2將來(lái)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(wǎng)絡(luò )CHOP3將該紋波解調回DC。所有三個(gè)斬波網(wǎng)絡(luò )的開(kāi)關(guān)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(huì )作為紋波出現在總輸出中。開(kāi)關(guān)電容陷波濾波器(SCNF)有選擇地抑制不需要的失調相關(guān)紋波，但不會(huì )干擾總輸出中的有用輸入信號，它與斬波時(shí)鐘同步，以便完全地濾除調制分量。

圖3. ADA4051所用斬波方案

這兩種技術(shù)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(shí)使用自穩零和斬波技術(shù)來(lái)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。相對于傳統零漂移放大器，這種技術(shù)組合可以實(shí)現更寬的帶寬。

圖4. AD8628集自穩零和斬波于一體，可實(shí)現更寬的帶寬