自動(dòng)歸零運算放大器在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。

低偏移電流：偏移電流乃流入放大器輸入端并使輸入晶體管產(chǎn)生偏移的電流。該電流的幅度變化范圍從微安到微微安，且與放大器的輸入電路密切相關(guān)。該參數在放大器的輸入連接高阻傳感器時(shí)非常重要。由于該偏移電流流入高阻，在阻抗上產(chǎn)生電壓降，因而導致電壓誤差。對于這些應用，需要考慮低偏移電流。

事實(shí)上如今市場(chǎng)上的所有歸零放大器的輸入級采用的都是CMOS，因而偏移電流非常小。但是，來(lái)自?xún)炔块_(kāi)關(guān)的電流注入能夠導致比傳統的CMOS輸入運算放大器略為高一點(diǎn)的偏移電流。

靜態(tài)電流：對于電池供電的應用，靜態(tài)電流是一個(gè)關(guān)鍵參數。由于調零放大器和其它電路需要支持自校準自動(dòng)歸零結構，對于特定的頻寬和壓擺率，自動(dòng)歸零放大器通常消耗的靜態(tài)電流比傳統放大器要大。但在增加該結構的效率方面得到了很大的改善。某些運算放大器，例如Microchip的MCP6V03，為了減少組件待機時(shí)的靜態(tài)電流，提供一個(gè)片選或切斷接腳。[next]

應用實(shí)例：可攜式袖珍天平

上面指出了自動(dòng)歸零放大器有助于提高放大器性能的幾個(gè)參數。這里將討論使用應力計的應用實(shí)例，強調一下自動(dòng)歸零放大器的一些優(yōu)點(diǎn)。

可攜式天平是一個(gè)特殊的設備，用來(lái)秤量一些小物品，例如貴金屬，珠寶以及藥物。這些設備采用電池供電，通常需要的精密度高達十分之一克。因此，該應用需要高精密度、用于秤重應力計的低功率訊號調理。

在應力計中用電阻對外力引起的應力量進(jìn)行量化。有幾種不同類(lèi)型的應力計，但最常見(jiàn)的是金屬應力計。這類(lèi)應力計由一根金屬線(xiàn)或一片金屬箔構成。當有力作用時(shí)，應力計的應力改變(或正或負)，因而導致應力計的電阻的變化。透過(guò)測量電阻的變化，來(lái)確定所加應力的量。通常，應力計的結構都是惠斯頓橋型，因為這種電路結構能夠提供極高的靈敏度。由于電阻值的變化較小，故這種惠斯頓橋電路的總輸出電壓也比較小。例如，我們可以假設滿(mǎn)量程輸出為10mV。

圖2是一個(gè)用于應用分析的簡(jiǎn)化電路。請注意，該電路并非用于完整的表征，而是被簡(jiǎn)化來(lái)顯現自動(dòng)歸零結構的優(yōu)點(diǎn)。例如，惠斯頓橋電路的輸出應該被緩沖以提供高輸入阻抗，但在簡(jiǎn)化電路中就沒(méi)有繪出。在該電路中，放大器的差分增益為500，這樣，來(lái)自惠斯頓橋的滿(mǎn)量程輸出將會(huì )使得放大器輸出達到5V。

圖2：利用自動(dòng)歸零放大器的應用簡(jiǎn)化電路圖。

由于在該應用中需要高增益，放大器的偏移電壓降變得至關(guān)重要。任何電壓偏移都將被放大器的高增益放大。例如，MCP606是一個(gè)用來(lái)實(shí)現用于修正輸入偏移電壓的非揮發(fā)性?xún)却娴腃MOS運算放大器，其室溫下的最大偏移為250 μV。如果用在該應用中，其最大偏移誤差將使得放大器輸出的誤差高達125mV，或者說(shuō)滿(mǎn)量程的2.5%。但如果使用MCP6V01自動(dòng)歸零放大器，其室溫下最大偏移僅為2 μV。則放大器輸出的最大誤差僅為1mV，即只有滿(mǎn)量程的0.02%。

如上所述，自動(dòng)歸零結構的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是其低時(shí)間漂移和溫度漂移。例如，假定該可攜式秤重天平的工作溫度范圍為0℃到50℃。MCP606的溫度漂移為1.8 μV/℃。由溫度變化所產(chǎn)生的誤差可高達90 μV，再經(jīng)過(guò)放大器增益的放大，在放大器輸出中又將產(chǎn)生45mV的誤差。而MCP6V01，最大的溫度漂移僅為50 nV/℃。故其引起的放大器輸出中的偏移誤差僅為1.25 mV，該性能比MCP606放大器高30倍。

如上所述，1/f是低頻應用的一個(gè)限制因素，例如這里所討論的秤重天平。MCP606運算放大器的1/f噪聲訊譜角頻率一般為200Hz。在這點(diǎn)上1/f噪聲開(kāi)始占據主導地位，在1Hz以下，所導致的電壓-噪聲密度高達200 nV/Hz。而對于MCP6V01運算放大器，由于具有自動(dòng)歸零校正結構，就沒(méi)有1/f噪聲，因而在低頻段保持恒定。對于秤重天平應用，由于負載單元輸出是一個(gè)變化很慢的訊號，故此時(shí)1/f是一個(gè)非常關(guān)鍵的因素。

本文小結

雖然如今的自動(dòng)歸零結構概念上可以回溯到早期的斬波放大器，但相對于早期的產(chǎn)品已經(jīng)得到了極大的改進(jìn)。老式的斬波放大器有許多能導致很大系統級設計問(wèn)題的缺點(diǎn)。而新型的自動(dòng)歸零結構要好用得多，并提供好得多的性能。如上述的應用實(shí)例中，自動(dòng)歸零結構在這類(lèi)高精密度的應用中可以提供比傳統的運算放大器好得多的性能。