如何在更寬帶寬應用中使用零漂移放大器

本文簡(jiǎn)短介紹了斬波、自穩零和零漂移偽像來(lái)源，并概述了放大器設計人員可以用來(lái)降低其影響的一些技術(shù)。本文還闡釋了如何最大程度地減少精密信號鏈中這些殘余交流偽像的影響，包括匹配輸入源阻抗、濾波和頻率規劃。

簡(jiǎn)介

零漂移運算放大器使用斬波、自穩零或這兩種技術(shù)的結合來(lái)消除不需要的低頻誤差源，例如失調和1/f噪聲。傳統上，此類(lèi)放大器僅用于低帶寬應用中，因為這些技術(shù)在較高頻率時(shí)會(huì )產(chǎn)生偽像。只要系統設計時(shí)考慮了高頻誤差，例如紋波、毛刺和交調失真(IMD)等，較寬帶寬的解決方案也可以受益于零漂移運算放大器的出色直流性能。

零漂移技術(shù)

斬波背景 1 – 7

第一種零漂移技術(shù)是斬波，它將誤差調制到較高頻率，從而將失調和低頻噪聲與信號內容分離。

圖1顯示了(b)斬波如何將輸入信號（藍色波形）調制到方波，在放大器中處理該信號，然后(c)將輸出端信號解調回直流。與此同時(shí)，放大器中的低頻誤差（紅色波形）在(c)輸出端被調制到方波，然后(d)通過(guò)低通濾波器(LPF)濾波。

圖 1. 在 (a) 輸入、(b) V1、(c) V2 和 (d) VOUT 端的信號（藍色）和誤差（紅色）的時(shí)域波形

同樣，在頻域中，輸入信號（圖2中的藍色信號）被(b)調制到斬波頻率，在fCHOP由增益級處理，(c)在輸出端解調回直流，最后(d)通過(guò)LPF。放大器的失調和噪聲源（圖2中的紅色信號）在DC頻率通過(guò)增益級處理，(c)由輸出斬波開(kāi)關(guān)調制到fCHOP，最后(d)由LPF濾波。由于采用方波調制，因此調制發(fā)生在調制頻率的奇數倍附近。

圖 2. 在 (a) 輸入、(b) V1、(c) V2 和 (d) VOUT 端的信號（藍色）和誤差（紅色）的頻域頻譜

從頻域和時(shí)域圖中均可看出，由于LPF不是理想的磚墻濾波器，因此調制噪聲和失調會(huì )造成一定的殘留誤差。

自穩零背景 1 – 3, 5 – 7

第二種零漂移技術(shù)——自穩零——也是一種動(dòng)態(tài)校正技術(shù)，其工作原理是采樣并消除放大器中的低頻誤差源。

圖3顯示了基本自穩零放大器的例子。它由具有失調和噪聲的放大器、重新配置輸入和輸出的開(kāi)關(guān)以及自穩零采樣電容組成。

圖 3. 基本自穩零放大器

在自穩零階段(?1)，電路的輸入短接到一個(gè)公共電壓，自穩零電容對輸入失調電壓和噪聲進(jìn)行采樣。請注意，在此階段，放大器無(wú)法用于信號放大。為使自穩零放大器以連續方式運行，必須讓兩個(gè)相同通道交錯。這稱(chēng)為乒乓式自穩零。

在放大階段(?2)，輸入連接回信號路徑，放大器又可用于放大信號。低頻噪聲、失調和漂移通過(guò)自穩零來(lái)消除，剩余的誤差為誤差的當前值與前一樣本之差。由于低頻誤差源從?1到?2變化不大，因此這種減法效果很好。另一方面，高頻噪聲混疊到基帶，導致本底白噪聲提高，如圖4所示。

由于噪聲折疊以及需要額外通道以支持連續工作，因此對于獨立的運算放大器，斬波可能是更有效的零漂移技術(shù)2。

斬波偽像 1 – 3, 5 – 7

盡管斬波可以很好地消除不需要的失調、漂移和1/f噪聲，但它會(huì )產(chǎn)生不必要的交流偽像，例如輸出紋波和毛刺。ADI公司最近的零漂移產(chǎn)品已采取措施來(lái)減小這些偽像，并使其位于較高頻率，使得系統級濾波更容易。

紋波偽像

斬波調制技術(shù)將低頻誤差移至斬波頻率的奇數次諧波，因此紋波是這種技術(shù)的后果。放大器設計人員采用許多方法來(lái)降低紋波的影響，包括：

生產(chǎn)失調微調：通過(guò)執行一次性初始微調，可以顯著(zhù)降低標稱(chēng)失調，但失調漂移和1/f噪聲仍然存在。

斬波和自穩零結合：放大器先自穩零，然后執行斬波，以將提高的噪聲譜密度(NSD)上調制到更高頻率。圖4顯示了斬波和自穩零后得到的噪聲頻譜。

圖 4. 噪聲 PSD：斬波或自穩零之前，自穩零之后，斬波之后，斬波和自穩零之后

自動(dòng)校正反饋(ACFB)：可以使用本地反饋環(huán)路來(lái)檢測輸出端的調制紋波，并在其來(lái)源處消除低頻誤差。

毛刺偽像

毛刺是由斬波開(kāi)關(guān)的電荷注入不匹配引起的瞬態(tài)尖峰。此類(lèi)毛刺的幅度取決于許多因素，包括源阻抗和電荷不匹配量1。毛刺尖峰不僅會(huì )在斬波頻率的偶數次諧波處引起偽像，而且會(huì )產(chǎn)生與斬波頻率成比例的殘余直流失調。圖5（左）顯示了這些尖峰在圖1中的V1（斬波開(kāi)關(guān)內部）和V2（輸出斬波開(kāi)關(guān)之后）處的外觀(guān)。在斬波頻率的偶數次諧波處的額外毛刺偽像是由有限放大器帶寬引起的，如圖5（右）所示。

圖 5.（左）圖 1 中的 V1（斬波開(kāi)關(guān)內部）和 V2（斬波開(kāi)關(guān)外部）處的電荷注入導致的毛刺電壓；（右）圖 1 中 V1 和 V2 處的有限放大器帶寬引起的毛刺

與紋波一樣，放大器設計人員也有降低零漂移放大器中的毛刺影響的技術(shù)：

電荷注入微調：可以將可調整電荷注入斬波放大器的輸入端，以補償電荷不匹配，從而減少運算放大器輸入端的輸入電流量。

多通道斬波：這不僅減小了毛刺幅度，而且還將其移至更高頻率，使濾波更加容易。與簡(jiǎn)單地在更高頻率執行斬波相比，該技術(shù)導致毛刺更頻繁，但幅度較小。圖6將典型的零漂移放大器與 ADA4522進(jìn)行了比較，后者使用該技術(shù)顯著(zhù)降低了毛刺的影響。

圖 6. ADA4522 中的電壓尖峰降低到本底噪聲8

圖 7. 斬波器放大器偽像，包括上調制紋波和電荷注入毛刺

總結一下，圖7顯示了斬波放大器的輸出電壓，其中包含：

紋波，由斬波頻率奇數倍處的上調制失調和1/f噪聲引起

毛刺，由斬波開(kāi)關(guān)的電荷注入不匹配和有限放大器帶寬在斬波頻率的偶數倍處引起

系統級考慮因素

在數據采集解決方案中使用零漂移放大器時(shí)，務(wù)必了解頻率偽像的位置并作出相應的規劃。

在數據手冊中查找斬波頻率

數據手冊通常會(huì )明確說(shuō)明斬波頻率，但通過(guò)查看噪聲頻譜圖也可以確定斬波頻率。ADI公司最新的幾款零漂移放大器的數據手冊顯示了偽像在頻譜中發(fā)生的位置。

ADA4528 數據手冊不僅在“應用信息”部分明確說(shuō)明了200 kHz的斬波頻率，而且這也可以在圖8所示噪聲密度曲線(xiàn)中清楚地看出。

圖 8. ADA4528 的噪聲密度曲線(xiàn)

在A(yíng)DA4522數據手冊的“工作原理”部分中，斬波頻率為4.8 MHz，失調和紋波校正環(huán)路工作在800 kHz。圖9顯示了ADA4522的噪聲密度，其中可以看到這些噪聲峰值。在單位增益時(shí)，由于環(huán)路的相位裕量較低，在6 MHz處也有一個(gè)噪聲凸起，這不是零漂移放大器所獨有的。

圖 9. ADA4522 的噪聲密度曲線(xiàn)

務(wù)必記住，數據手冊中描述的頻率是一個(gè)典型數值，可能因器件而異。因此，如果系統需要兩個(gè)斬波放大器進(jìn)行差分信號調理，請使用雙通道放大器，因為兩個(gè)單通道放大器在斬波頻率方面可能略有不同，因而可能相互作用并引起額外的IMD。

匹配輸入源阻抗

與輸入源阻抗相互作用的瞬態(tài)電流毛刺可能會(huì )導致差分電壓誤差，從而可能在斬波頻率的倍數處產(chǎn)生額外的偽像。圖10顯示了ADA4522在源電阻不匹配情況下的噪聲密度曲線(xiàn)（底部）。為了解決這一潛在的誤差源，系統設計人員應確保斬波放大器的每個(gè)輸入看到的阻抗相同（頂部）。

圖 10. ADA4522 中的噪聲：輸入源電阻匹配（頂部）和不匹配（底部）

IMD和混疊偽像

使用斬波放大器時(shí)，輸入信號可能與斬波頻率fCHOP混頻，從而在fIN ± fCHOP、fIN ± 2fCHOP、2fIN ± fCHOP…處產(chǎn)生IMD。這些IMD產(chǎn)物可能出現在目標頻段中，尤其是當fIN接近斬波頻率時(shí)。為了消除此問(wèn)題，請選擇斬波頻率遠大于輸入信號帶寬的零漂移放大器，并確保在此放大器級之前濾除頻率接近fCHOP的干擾信號。

使用ADC對放大器輸出進(jìn)行采樣時(shí)，斬波偽像也可能發(fā)生混疊。圖11顯示了ADC采樣時(shí)毛刺頻率混疊產(chǎn)生的IMD產(chǎn)物示例。這些IMD產(chǎn)物依賴(lài)于毛刺和紋波幅度，并且可能因器件而異。設計信號鏈時(shí)，有必要在A(yíng)DC之前使用抗混疊濾波器以減少此IMD。

圖 11. IMD 的一個(gè)示例，其中 ADC 對毛刺采樣，并在 fSAMPLE – 2fCHOP 處引起混疊。

斬波偽像濾波

在系統層次上，處理這些高頻偽像的最有效辦法是濾波。零漂移放大器和ADC之間的LPF減少了斬波偽像，并避免了混疊。因此，具有更高斬波頻率的放大器可放寬對LPF的要求，并支持更寬的信號帶寬。

例如，圖13顯示了ADA4522使用圖12所示不同技術(shù)來(lái)減輕斬波偽像的效果：提高閉環(huán)增益，后置濾波，以及并聯(lián)使用電容和反饋電阻8。

圖 12. 濾除偽像的放大器配置

圖 13. ADA4522 NSD，使用頂部顯示的一階濾波器方法：（左）提高增益會(huì )降低放大器帶寬，濾波器濾除噪聲尖峰；（右）使用 RC 濾波器。

根據系統對頻帶抑制的需求，可能需要一個(gè)更高階有源濾波器。ADI公司有許多資源可幫助設計濾波器，包括 多重反饋濾波器教程 和 在線(xiàn)濾波器設計工具。

了解斬波偽像發(fā)生的頻率可以幫助創(chuàng )建所需的濾波器。表1列出了零漂移放大器引起的交流偽像的位置。

表1. 交流斬波偽像位置小結

結論

通過(guò)了解零漂移放大器中的高頻偽像，系統設計人員可以更有信心地將零漂移放大器用于更寬帶寬的應用。系統設計考量因素包括：

●   零漂移放大器輸入端的源輸入阻抗應匹配

●   使用雙通道放大器進(jìn)行差分信號調理

●   在數據手冊噪聲頻譜中找到偽像的頻率

●   設計濾波器以降低動(dòng)態(tài)降失調技術(shù)所引起的高頻偽像的影響

●   了解頻域中的高頻偽像并作出合理規劃

參考電路

1Yoshinori Kusuda。 “減少斬波放大器中的開(kāi)關(guān)偽像”。荷蘭代爾夫特理工大學(xué)，2018年5月。

2Christian Enz和Gabor C. Temes。 “用于降低運算放大器缺陷影響的電路技術(shù)：自穩零、相關(guān)雙采樣和斬波穩定”。IEEE論文集，第84卷第11期，1996年11月。

3Boris Murmann。 EE315A：VLSI信號調理電路：第7章，精密模擬電路技術(shù)。斯坦福大學(xué)，2014。

4James Bryant。 “乘法器與調制器” ?！赌M對話(huà)》，第47卷，2013年6月。

5A. T. K. Tang?！巴瑫r(shí)采用斬波和自穩零技術(shù)的3/spl mu/V失調運算放大器在DC時(shí)具有20nV//spl radic/ Hz輸入噪聲PSD”。IEEE，2002年2月。

6Michiel Pertijs和Wilko J. Kindt?！安捎闷古沂阶苑€零和斬波技術(shù)的140 dB-CMRR電流反饋儀表放大器” 。IEEE固態(tài)電路雜志，第45卷第10期，2010年10月。

7Johan F. Witte、Kofi A. A. Makinwa和Johan H. Huijsing?！癈MOS斬波器失調穩定的運算放大器”。 IEEE固態(tài)電路雜志，第42卷第7期，2007年7月。

8Yoshinori Kusuda和Vicky Wong?！傲闫品糯笃鳎含F可輕松用于高精度電路中”。模擬對話(huà)，第49卷，2015年7月。

ADA4523數據手冊。ADI公司，2020年4月。

AD7768-1數據手冊。ADI公司，2019年5月。

Kusuda, Yoshinori。 “斬波運算放大器中輸入電流噪聲和偶次諧波折疊效應的分析”。 模擬對話(huà)，第53卷，2019年5月

來(lái)源：ADI

作者：Simon Basilico