自動調零運算放大器――便攜式信號調理應用固有的優點

乍一看，“自動調零”運算放大器好像是個新術語，但事實上這一概念已存在幾十年了。本文將探討自動調零運放的歷史，并將大致描述該架構。此外，本文還將探討該架構在信號調理應用中固有的優點。最后還將分析一個應用示例，以進一步比較自動調零運放的架構與傳統運放的架構。

簡史
斬波放大器已誕生幾十年了，追溯起來將近有60年。斬波放大器的發明是為了滿足極低失調、低漂移運放的需要。在那時，斬波放大器的性能比雙極型運放優越。原始斬波放大器的輸入和輸出由開關控制（或斬波），對輸入信號進行調制，校正失調誤差，然后在輸出時解調。該技術可確保失調電壓和漂移很低，但也有其局限。由于要對放大器的輸入進行采樣，因此輸入信號的頻率必須低于斬波頻率的一半，以避免混疊。除了帶寬限制外，斬波操作還會導致出現顯著毛刺，需要在輸出端進行濾波，以濾除所造成的紋波。

作為下一代自校正放大器代表的斬波穩態運放使斬波放大器的性能獲得了極大改進。該架構使用了兩個放大器：“主”放大器和“調零”放大器，如圖1所示。調零放大器通過將輸入端短路并對其自身的調零引腳施加校正信號來校正其自身的失調誤差，隨后監視并校正主放大器的失調。因為主放大器始終連接到IC的輸入和輸出，因此輸入信號的帶寬由主放大器的帶寬決定，而不再取決于斬波頻率。這一特性使該架構相對于早期的斬波放大器有很大的優勢。開關操作造成的電荷注入仍是個問題，這可能導致信號瞬變，并且注入的電荷會與輸入信號耦合，造成互調失真。

圖1簡化的斬波穩態功能框圖

自動調零架構在概念上與斬波穩態放大器相似，即有一個調零放大器和一個主放大器。但是，經過了多年的重大改進，目前自動調零架構的噪聲、電荷注入和其他與斬波穩態運放相關的性能問題都被降到了最小的程度。不同的制造商使用不同術語定義該架構，例如，“自動調零”、“自動相關調零”以及“零漂移”。無論術語如何表達，基本的底層架構都是相同的。

自動調零架構的優勢
如上所述，自動調零架構會持續地自校正放大器的失調電壓誤差。這就形成了相對于傳統運放的幾個獨特優勢。

1低失調電壓
調零放大器持續地消除其自身的失調電壓，然后對主放大器施加校正信號。該校正信號的頻率取決于實際的設計，但通常每秒發生幾千次。例如，Microchip Technology的MCP6V01自動調零放大器每100μs校正一次主放大器，即每秒一萬次。這種持續校正可確保極低的失調電壓，比傳統運放低得多。此外，校正失調電壓的過程還會校正其他直流規范，例如電源抑制和共模抑制。因此，自動調零放大器能實現比傳統放大器更優異的抑制能力。

2 溫度和時間漂移低
所有放大器，無論其工藝技術和架構如何，都會隨溫度和時間變化產生失調電壓。多數運放用V/℃來描述該失調的溫度漂移。該漂移在不同放大器間可能差別很大。對于傳統放大器，通常介于幾到幾十μV/℃之間，這在高精度應用中可能是個大問題；和初始失調誤差不同，該漂移無法用一次性系統校正來消除。

除了溫度漂移外，放大器的失調電壓也會隨著時間而改變。對于傳統運放，該時間漂移（有時稱為累增）通常不會在數據手冊中指出，但它會在器件的整個使用壽命中產生顯著的誤差。

自動調零架構固有的特性，使它能通過持續地自校正失調電壓，盡可能減少溫度漂移和時間漂移。這樣，自動調零放大器相比傳統運放在漂移性能方面有顯著改善。例如，前面提到的MCP6V01運放的最大溫度漂移只有50nV/℃。