零漂移放大器原理及應用

什么是零漂移放大器？
零漂移放大器可動態(tài)校正其失調(diào)電壓并重整其噪聲密度。自穩(wěn)零型和斬波型是兩種常用類型，可實現(xiàn)nV級失調(diào)電壓和極低的失調(diào)電壓時間/溫度漂移。放大器的1/f噪聲也視為直流誤差，也可一并消除。零漂移放大器為設計師提供了很多好處：首先，溫漂和1/f噪聲在系統(tǒng)中始終起著干擾作用，很難以其它方式消除，其次，相對于標準的放大器，零漂移放大器具有較高的開環(huán)增益、電源抑制比和共模抑制比，另外，在相同的配置下，其總輸出誤差低于采用標準精密放大器的輸出誤差。

零漂移放大器適合哪些應用？
零漂移放大器適用于預期設計壽命10年以上的系統(tǒng)，以及使用高閉環(huán)增益(>100)和低頻(100 Hz)、低幅度信號的信號鏈。應用示例包括精密電子秤、醫(yī)療儀器、精密計量設備和紅外/電橋/熱電堆傳感器接口。

自穩(wěn)零型放大器的工作原理
自穩(wěn)零型放大器，如AD8538、AD8638、AD8551和AD8571系列，通常分兩個時鐘階段校正輸入失調(diào)。在時鐘階段A中，開關φA閉合，開關φB斷開，如圖1所示。指零放大器的失調(diào)電壓經(jīng)過測量后，儲存在電容CM1上。

圖1. 自穩(wěn)零型放大器的階段A：零點校準階段

在時鐘階段B中，開關φB閉合，開關φA斷開，如圖2所示。主放大器的失調(diào)電壓經(jīng)過測量后，儲存在電容CM2上，同時，儲存在電容CM1中的電壓調(diào)節(jié)指零放大器的失調(diào)。進而，在處理輸入信號時將總失調(diào)電壓施加到主放大器上

圖2. 自穩(wěn)零型放大器的階段B：自穩(wěn)零階段

采樣保持功能會將自穩(wěn)零型放大器變?yōu)椴蓸訑?shù)據(jù)系統(tǒng)，使其容易發(fā)生混疊和折回效應。低頻時，噪聲變化緩慢，因此兩個連續(xù)噪聲采樣相減可實現(xiàn)真正的抵消。高頻時，這種相關性減弱，相減誤差導致寬帶成分折回基帶。因此，自穩(wěn)零型放大器的帶內(nèi)噪聲高于標準運算放大器。為了減少低頻噪聲，必須提高采樣頻率，但這會引入額外的電荷注入。信號路徑僅包括主放大器，因而可以獲得相對較大的單位增益帶寬。

斬波放大器的工作原理
圖3顯示斬波型放大器ADA4051的功能框圖，它采用本地自動校正反饋(ACFB)環(huán)路。主信號路徑包括輸入斬波網(wǎng)絡CHOP1、跨導放大器Gm1、輸出斬波網(wǎng)絡CHOP2和跨導放大器Gm2。CHOP1和CHOP2將來自Gm 1初始失調(diào)和1/f噪聲調(diào)制到斬波頻率。跨導放大器Gm3檢測CHOP2輸出端的調(diào)制紋波，斬波網(wǎng)絡CHOP3將該紋波解調(diào)回DC。所有三個斬波網(wǎng)絡的開關頻率均為40 kHz。最后，跨導放大器Gm4消除Gm1輸出端的直流成分，否則，它會作為紋波出現(xiàn)在總輸出中。開關電容陷波濾波器(SCNF)有選擇地抑制不需要的失調(diào)相關紋波，但不會干擾總輸出中的有用輸入信號，它與斬波時鐘同步，以便完全地濾除調(diào)制分量。

圖3. ADA4051所用斬波方案

這兩種技術可以結(jié)合使用嗎？
ADI公司新系列放大器正是這樣做的。圖4所示的零漂移放大器AD8628同時使用自穩(wěn)零和斬波技術來降低斬波頻率時的能量，同時將低頻噪聲保持在非常低的水平。相對于傳統(tǒng)零漂移放大器，這種技術組合可以實現(xiàn)更寬的帶寬。

圖4. AD8628集自穩(wěn)零和斬波于一體，可實現(xiàn)更寬的帶寬