应用工程师答问— 39 零漂移运算放大器

什么是零漂移放大器?

零漂移放大器可动态校正其失调电压并重整其噪声密度。自稳零型和斩波型是两种常用类型,可实现 nV 级失调电压和极低的失调电压时间/温度漂移。放大器的1/f 噪声也视为直流误差,也可一并消除。零漂移放大器为设计师提供了很多好处:首先,温漂和 1/f 噪声在系统中始终起着干扰作用,很难以其它方式消除,其次,相对于标准的放大器,零漂移放大器具有较高的开环增益、电源抑制比和共模抑制比,另外,在相同的配置下,其总输出误差低于采用标准精密放大器的输出误差。

零漂移放大器适合哪些应用?

零漂移放大器适用于预期设计寿命 10 年以上的系统,以及使用高闭环增益 (>100) 和低频 (<100 Hz)、低幅度信号的信号链。应用示例包括精密电子秤、医疗仪器、精密计量设备和红外/电桥/热电堆传感器接口。

自稳零型放大器的工作原理

自稳零型放大器,如AD8538、AD8638、AD8551 和 AD8571系列,通常分两个时钟阶段校正输入失调。在时钟阶段A中,开关φA 闭合,开关 φB 断开,如图 1 所示。指零放大器的失调电压经过测量后,储存在电容 CM1上。

Figure 1
图1. 自稳零型放大器的阶段A:零点校准阶段

在时钟阶段 B 中,开关φB 闭合,开关φA 断开,如图 2 所示。主放大器的失调电压经过测量后,储存在电容CM2上,同时,储存在电容CM1中的电压调节指零放大器的失调。进而,在处理输入信号时将总失调电压施加到主放大器上。

Figure 2
图 2. 自稳零型放大器的阶段 B:自稳零阶段

采样保持功能会将自稳零型放大器变为采样数据系统,使其容易发生混叠和折回效应。低频时,噪声变化缓慢,因此两个连续噪声采样相减可实现真正的抵消。高频时,这种相关性减弱,相减误差导致宽带成分折回基带。因此,自稳零型放大器的带内噪声高于标准运算放大器。为了减少低频噪声,必须提高采样频率,但这会引入额外的电荷注入。信号路径仅包括主放大器,因而可以获得相对较大的单位增益带宽。

斩波放大器的工作原理

图 3 显示斩波型放大器 ADA4051 的功能框图,它采用本地自动校正反馈 (ACFB) 环路。主信号路径包括输入斩波网络CHOP1、跨导放大器 Gm1、输出斩波网络 CHOP2 和跨导放大器Gm2。CHOP1 和CHOP2 将来自Gm 1 初始失调和1/f 噪声调制到斩波频率。跨导放大器 Gm3 检测 CHOP2 输出端的调制纹波,斩波网络 CHOP3 将该纹波解调回 DC。所有三个斩波网络的开关频率均为40 kHz。最后,跨导放大器Gm4 消除 Gm1 输出端的直流成分,否则,它会作为纹波出现在总输出中。开关电容陷波滤波器 (SCNF) 有选择地抑制不需要的失调相关纹波,但不会干扰总输出中的有用输入信号,它与斩波时钟同步,以便完全地滤除调制分量。

Figure 3
图3. ADA4051 所用斩波方案

这两种技术可以结合使用吗?

ADI公司新系列放大器正是这样做的。图4所示的零漂移放大器AD8628同时使用自稳零和斩波技术来降低斩波频率时的能量,同时将低频噪声保持在非常低的水平。相对于传统零漂移放大器,这种技术组合可以实现更宽的带宽。

Figure 4
图 4. AD8628 集自稳零和斩波于一体,可实现更宽的带宽

使用零漂移放大器时会遇到哪些应用问题?

零漂移放大器是利用数字电路动态校正模拟失调误差的复合放大器。数字开关动作会造成电荷注入、时钟馈通、交调失真和过载恢复时间延长,从而可能在设计不佳的模拟电路中引起问题。时钟馈通的幅度随着闭环增益或信号源阻抗增大而增大;在输出端增加一个滤波器,或者在同相输入端使用一个低值电阻,可以减小其影响。此外,输入频率越接近斩波频率,零漂移放大器的输出纹波越大。

对频率高于内部时钟频率的信号有何影响?

频率高于自稳零频率的信号会被放大。自稳零型放大器的速度取决于增益带宽积,后者取决于主放大器,而不是零点校准放大器;自稳零频率指示何时开始出现开关伪像。

自稳零型与斩波型有何区别?

自稳零型通过采样校正失调,斩波型则采用调制和解调。采样会导致噪声折回基带,因此自稳零型放大器的带内噪声较大。为了抑制噪声,需要使用更大电流,因此其功耗一般较高。斩波型放大器具有与其平带噪声一致的低频噪声,但在斩波频率时会产生大量能量和谐波。可能需要进行输出滤波,因此这些放大器最适合低频应用。自稳零和斩波技术的典型噪声特性如图 5 所示。

Figure 5
图5. 各种放大器结构的典型噪声与频率的关系

何时用自稳零型放大器?何时用斩波型放大器?

斩波型放大器适合低功耗、低频应用(<100 Hz),自稳零型放大器则更适合宽带应用。AD8628集自稳零和斩波两种技术于一体,堪称要求低噪声、无开关毛刺、宽带宽应用的理想之选。表1列出一些设计的利弊因素。

表1

自稳零型 斩波稳定型 斩波稳定型+ 自稳零型
极低失调, TCVOS 极低失调, TCVOS 极低失调, TCVOS
采样保持 调制/解调
采样保持, 调制/解调
混叠导致低频噪声较高 类似于平带噪声(无混叠) 随频率分布的组合噪声
功耗较高 功耗较低 功耗较高
宽带宽 窄带宽 带宽最宽
纹波最小 纹波最大
纹波水平低于斩波型
在自稳零频率上的能量很小
在斩波频率上能量很大 在自稳零频率上的能量很小

ADI 公司的哪些零漂移放大器最受欢迎?

表 2 列出了ADI 公司的一些代表性零漂移放大器。

表2

产品型号 电源电压 轨到轨 最小值时带宽 (MHz)
压摆率 (V/μs) Vos 最大值 (μV) TCVOS 典型值 (μV/°C)
单路 双路 四路 最小值 最大值 输入 输出
AD8628 AD8629
AD8630
2.7
5.5


2.5
1 5 0.002
AD8538 AD8539

2.7
5.5


0.43
0.4
13 0.03
AD8638 AD8639
  4.5
16


1.35 2.5 9 0.01
AD8551 AD8552
AD8554
2.7
5.5


1.5 0.4
5 0.005
AD8571 AD8572
AD8574
2.7
5.5


1.5
0.4
5 0.005
ADA4051-1 ADA4051-2
  1.8 5.5
•  0.115 0.04 15 0.02

表2

产品型号 CMRR 最小值 (dB) PSRR 最小值 (dB) AVOL 最小值 (dB) 1 kHz时噪声 (nV/√Hz) 每个放大器IS/最大值 (mA) 拓扑结构 
单路 双路 四路
AD8628 AD8629
AD8630
120 115
125  22
1.1 AZ, C
AD8538 AD8539

115 105
115
50 0.18 AZ
AD8638 AD8639
  118  127
120
60 1.3 AZ
AD8551 AD8552
AD8554
120 120 125
42 0.975 AZ
AD8571 AD8572
AD8574
120
120
125
51 0.975 AZ
ADA4051-1 ADA4051-2
  105
110
106 95 0.017 C

参考电路

  1. Bridge-Type Sensor Measurements Are Enhanced by Auto-Zeroed Instrumentation Amplifiers

  2. Demystifying Auto-Zero Amplifiers—Part 1

  3. Demystifying Auto-Zero Amplifiers—Part 2

  4. MT-055 Tutorial, Chopper Stabilized (Auto-Zero) Precision Op Amps

作者

Reza Moghimi

Reza Moghimi

Reza Moghimi是ADI公司(美国加利福尼亚州圣何塞)精密信号调理部门的应用工程经理。他于1984年获得圣何塞州立大学电子工程学士学位,并于1990年获得工商管理硕士学位(MBA)。