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第44卷–2010年4月

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应用工程师答问—39
零漂移运算放大器

作者:Reza Moghimi

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。

fig1

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

fig2

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。

fig3

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。

fig4

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。

 

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?fig5
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) 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 最小值 最大值 输入 输出
AD8628 AD8629 AD8630 2.7 5.5 2.5 1 5 0.002 120 115 125 22 1.1 AZ, C
AD8538 AD8539   2.7 5.5 0.43 0.4 13 0.03 115 105 115 50 0.18 AZ
AD8638 AD8639   4.5 16   1.35 2.5 9 0.01 118 127 120 60 1.3 AZ
AD8551 AD8552 AD8554 2.7 5.5 1.5 0.4 5 0.005 120 120 125 42 0.975 AZ
AD8571 AD8572 AD8574 2.7 5.5 1.5 0.4 5 0.005 120 120 125 51 0.975 AZ
ADA4051-1 ADA4051-2   1.8 5.5 0.115 0.04 15 0.02 105 110 106 95 0.017 C

 

参考文献

  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
作者简介
reza

Reza Moghimi [reza.moghimi@analog.com]是位于美国加利福尼亚州圣何塞的ADI公司应用工程师。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),此外还获得多个在职证书。他曾供职于Raytheon Corporation、Siliconix, Inc.和Precision Monolithics, Inc. (PMI),其中PMI公司于1990年与ADI公司合并。在ADI公司,他曾从事测试、产品和项目工程设计工作,并且撰写过许多文章和设计构想,曾在技术研讨会上做相关介绍。他业余时间爱好旅行、音乐和足球。

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