揭秘自穩(wěn)零放大器：如何工作的？有缺點嗎？

每當(dāng)提到自動歸零或斬波穩(wěn)定放大器的主題時，不可避免的第一個問題是“它們是如何工作的？除了對設(shè)備內(nèi)部工作的好奇心之外，大多數(shù)工程師心中真正的問題可能是：“直流精度看起來令人難以置信，但是如果我在電路中使用其中之一，我將不得不忍受什么樣的奇怪行為;我該如何圍繞這些問題進行設(shè)計？本文的第 1 部分將嘗試回答這兩個問題。在第 2 部分中，將提到一些非常流行和及時的應(yīng)用程序，以說明這些部分的顯著優(yōu)點和一些缺點。

斬波放大器 — 工作原理

第一個斬波放大器是在50多年前發(fā)明的，通過將直流電壓轉(zhuǎn)換為交流信號來對抗直流放大器的漂移。最初的實現(xiàn)使用輸入信號的開關(guān)交流耦合和交流信號的同步解調(diào)，以在輸出端重新建立直流信號。這些放大器的帶寬有限，需要后濾波以消除斬波動作產(chǎn)生的大紋波電壓。

斬波穩(wěn)定放大器通過使用斬波放大器穩(wěn)定留在信號路徑中的傳統(tǒng)寬帶放大器，解決了帶寬限制問題（1）。早期的斬波穩(wěn)定設(shè)計只能進行反相操作，因為穩(wěn)定放大器的輸出直接連接到寬帶差分放大器的同相輸入。現(xiàn)代IC“斬波器”放大器實際上采用自歸零方法，使用類似于斬波穩(wěn)定方案的兩級或多級復(fù)合放大器結(jié)構(gòu)。不同之處在于，穩(wěn)定放大器信號通過額外的“調(diào)零”輸入端子連接到寬帶或主放大器，而不是差分輸入之一。更高頻率的信號通過直接連接到主放大器或使用前饋技術(shù)來繞過調(diào)零級，從而在寬帶寬操作中保持穩(wěn)定的零點。

因此，該技術(shù)將直流穩(wěn)定性和良好的頻率響應(yīng)與反相和同相配置的可訪問性相結(jié)合。然而，它可能產(chǎn)生由高水平的數(shù)字開關(guān)“噪聲”組成的干擾信號，從而限制更寬可用帶寬的有用性。它還會導(dǎo)致互調(diào)失真（IMD），這看起來像時鐘信號和輸入信號之間的混疊，產(chǎn)生和頻率和差分頻率的誤差信號。稍后會詳細介紹。

自歸零放大器原理

自穩(wěn)零放大器通常在每個時鐘周期以兩相工作，如圖1a和1b所示。簡化電路顯示了一個歸零放大器（A一個）、主（寬帶）放大器 （AB）、存儲電容器 （CM1和 CM2），以及用于輸入和存儲電容器的開關(guān)。組合放大器以典型的運算放大器增益配置所示。

在相位A中，自穩(wěn)零相位（圖1a），輸入信號施加到主放大器（AB） 單獨;主放大器的調(diào)零輸入由存儲在電容器C上的電壓提供M2;和調(diào)零放大器（A一個） 自動歸零自身，將其調(diào)零電壓施加到 CM1.在相位 B 中，其調(diào)零電壓由 C 提供M1，調(diào)零放大器放大施加到主放大器的輸入差壓，并將放大后的電壓施加到主放大器和C的調(diào)零輸入端M2.

圖1.自歸零放大器中的開關(guān)設(shè)置。

兩個放大器均使用可調(diào)整運算放大器模型（圖2），具有差分輸入和失調(diào)調(diào)整輸入。

圖2.可微調(diào)運算放大器型號。

在歸零階段（相位A-圖1a），歸零放大器的輸入短路在一起，并短路至反相輸入端子（共模輸入電壓）。調(diào)零放大器通過反饋到其調(diào)零端子來使該電壓與調(diào)零輸入的增量增益的乘積近似等于A一個的輸入偏移量 （V操作系統(tǒng)).調(diào)零電壓也施加在C上M1.同時，主放大器的行為類似于普通運算放大器。其調(diào)零電壓由存儲在 C 上的電壓提供M2.

在輸出階段（相位B-圖1b），調(diào)零放大器的輸入連接到主放大器的輸入端子。CM1現(xiàn)在繼續(xù)提供調(diào)零放大器所需的失調(diào)校正電壓。差分輸入信號由調(diào)零放大器放大，并由主放大器調(diào)零輸入電路的增量增益進一步放大。它也直接被主放大器本身的增益放大（AB).運算放大器反饋將導(dǎo)致調(diào)零放大器的輸出電壓為主放大器調(diào)零輸入端所需的任何電壓，從而使主放大器的輸入差壓接近于零。放大器 A一個的輸出也施加在存儲電容器C上M2，這將在下一個階段 A 中保持所需的電壓。

開環(huán)放大器總直流增益大約等于調(diào)零放大器增益與寬帶放大器調(diào)零端增益的乘積。總有效失調(diào)電壓大約等于主放大器和歸零放大器失調(diào)電壓之和除以主放大器調(diào)零端的增益。該端子處的極高增益導(dǎo)致整個放大器的有效失調(diào)電壓非常低。

當(dāng)周期返回到零點階段時，C上存儲的電壓M2繼續(xù)有效校正主放大器的直流失調(diào)。從調(diào)零到輸出階段的周期以內(nèi)部時鐘和邏輯電路設(shè)定的速率連續(xù)重復(fù)。（有關(guān)自穩(wěn)零放大器工作原理的詳細信息，請參見AD8551/AD8552/AD8554或AD8571放大器的數(shù)據(jù)手冊）。

自穩(wěn)零放大器特性

現(xiàn)在我們已經(jīng)了解了放大器的工作原理，讓我們來看看它與“普通”放大器的行為。首先，請注意，關(guān)于自穩(wěn)零放大器的一個常見神話是不真實的：整個放大器的增益帶寬積與斬波時鐘頻率無關(guān)。雖然斬波時鐘頻率通常在幾百Hz到幾kHz之間，但許多最近的自穩(wěn)零放大器的增益帶寬積和單位增益帶寬為1-3 MHz，甚至可能更高。

從工作說明中可以很容易地推斷出許多非常理想的特性：直流開環(huán)電壓增益是兩個放大器增益的乘積，非常大，通常超過10萬，即140 dB。由于較大的歸零端增益對原始放大器失調(diào)的影響，失調(diào)電壓非常低。自穩(wěn)零放大器的典型失調(diào)電壓在140微伏范圍內(nèi)。低有效失調(diào)電壓還會影響與失調(diào)電壓直流變化相關(guān)的參數(shù)，即直流CMR和PSR，通常超過40 dB。由于失調(diào)電壓不斷“校正”，失調(diào)隨時間的變化非常小，每月僅為50-<>nV。溫度效應(yīng)也是如此;這種設(shè)計良好的放大器的失調(diào)溫度系數(shù)僅為每°C幾納伏！

放大器工作的一個不太明顯的后果是低頻“1/f噪聲”特性。在“普通”放大器中，輸入電壓噪聲頻譜密度與低于“轉(zhuǎn)折”頻率的頻率呈指數(shù)成反比，“轉(zhuǎn)折”頻率可能從幾赫茲到幾百赫茲不等。這種低頻噪聲看起來像是斬波穩(wěn)定或自穩(wěn)零放大器的自動校正電路的失調(diào)誤差。當(dāng)頻率接近直流時，自動校正操作變得更加有效。由于自穩(wěn)零放大器中的高速斬波器動作，低頻噪聲在直流時相對平坦（無1/f噪聲！在低頻應(yīng)用中，這種缺乏1/f噪聲可能是一大優(yōu)勢，因為低頻應(yīng)用通常具有長采樣間隔。

由于這些器件具有MOS輸入，因此偏置電流和電流噪聲非常低。然而，出于同樣的原因，寬帶電壓噪聲性能通常適中。MOS輸入往往噪聲較大，特別是與精密雙極性處理放大器相比，后者使用大型輸入器件來改善匹配，并且通常具有較大的輸入級尾電流。ADI公司AD855x放大器的噪聲約為大多數(shù)競爭器件的一半。然而，仍有改進的余地，幾家制造商（包括ADI）已經(jīng)宣布了未來低噪聲自穩(wěn)零放大器的計劃。

電荷注入[開關(guān)驅(qū)動電壓與電容器的電容耦合]發(fā)生在斬波開關(guān)打開和關(guān)閉時。這種和其他開關(guān)效應(yīng)在斬波時鐘頻率及其諧波處產(chǎn)生電壓和電流“噪聲”瞬變。與放大器的寬帶本底噪聲相比，這些噪聲偽影很大;如果它們落在信號路徑的目標(biāo)頻帶內(nèi)，則它們可能是一個重要的誤差源。更糟糕的是，這種開關(guān)會導(dǎo)致輸出信號的互調(diào)失真，從而在和頻和差頻處產(chǎn)生額外的誤差信號。如果您熟悉采樣數(shù)據(jù)系統(tǒng)，這看起來很像輸入信號和時鐘信號及其諧波之間的混疊。實際上，放大器在調(diào)零階段的增益帶寬與輸出階段的增益帶寬之間的微小差異會導(dǎo)致閉環(huán)增益在時鐘頻率處略有不同的值之間交替。IMD的大小取決于內(nèi)部匹配，與時鐘“噪聲”的大小無關(guān)。IMD和諧波失真產(chǎn)物相對于輸入信號的加起來通常約為-100至-130 dB，加上閉環(huán)增益（以dB為單位）。您將在下面看到，簡單的電路技術(shù)可以限制IMD和時鐘噪聲在帶外時的影響。

最近一些采用新穎時鐘方案的自穩(wěn)零放大器設(shè)計，包括ADI公司的AD857x系列，在很大程度上成功地抑制了這種行為。該系列器件采用（專利）擴頻時鐘技術(shù)，避免了單時鐘頻率引起的問題，從而產(chǎn)生與偽隨機斬波器相關(guān)的噪聲。由于固有開關(guān)噪聲或“混疊”信號中在單個頻率下不再存在峰值，因此這些器件可以在超出標(biāo)稱斬波頻率的信號帶寬下使用，而不會在帶內(nèi)顯示較大的誤差信號。這種放大器對于幾kHz以上的信號帶寬更有用。

最近的一些設(shè)備使用了更高的斬波頻率，這也可以擴展有用的帶寬。但是，這種方法可能會降低V操作系統(tǒng)性能并增加輸入偏置電流（有關(guān)電荷注入效應(yīng)，請參見下文）;必須仔細權(quán)衡設(shè)計權(quán)衡。在設(shè)計和布局上格外小心有助于最大限度地減少開關(guān)瞬變。

如上所述，幾乎所有單芯片自穩(wěn)零放大器都具有MOS輸入級，往往產(chǎn)生相當(dāng)?shù)偷妮斎肫秒娏鳌Ｈ绻嬖谳^大的源阻抗，這是一個非常理想的功能。然而，電荷注入會對輸入偏置電流行為產(chǎn)生一些意想不到的影響。

在低溫下，柵極泄漏和輸入保護二極管泄漏非常低，因此主要的輸入偏置電流源是輸入MOSFET和開關(guān)晶體管上的電荷注入。電荷注入在反相和同相輸入上的方向相反，因此輸入偏置電流具有相反的極性。因此，輸入失調(diào)電流大于輸入偏置電流。幸運的是，電荷注入引起的偏置電流相當(dāng)小，在10-20pA范圍內(nèi)，并且對共模電壓相對不敏感。

當(dāng)器件溫度升至40-50°C以上時，輸入保護二極管的反向漏電流占主導(dǎo)地位;輸入偏置電流隨溫度迅速上升（漏電流每升高10°C約一倍）。漏電流在每個輸入端具有相同的極性，因此在這些高溫下，輸入失調(diào)電流小于輸入偏置電流。此溫度范圍內(nèi)的輸入偏置電流很大程度上取決于輸入共模電壓，因為保護二極管上的反向偏置電壓隨共模電壓而變化。在保護二極管連接到兩個電源軌的電路中，偏置電流極性隨著共模電壓在電源電壓范圍內(nèi)的擺動而變化。

由于存在存儲電容，許多自穩(wěn)零放大器需要很長時間才能從輸出飽和中恢復(fù)（通常稱為過載恢復(fù)）。對于使用外部電容器的電路尤其如此。使用內(nèi)部電容器的較新設(shè)計恢復(fù)速度更快，但仍需要幾毫秒才能恢復(fù)。AD855x和AD8571系列的恢復(fù)速度更快，與“普通”放大器的恢復(fù)速度大致相同，耗時不到100 μs。這種比較也適用于導(dǎo)通建立時間。

最后，由于自動校正功能需要復(fù)雜的附加電路，自動歸零放大器在相同交流性能水平（帶寬、壓擺率、電壓噪聲和建立時間）下需要比同類非斬波放大器更多的靜態(tài)電流。即使是最低功耗的自穩(wěn)零放大器也需要數(shù)百微安的靜態(tài)電流;它們的帶寬非常適中，200 kHz 時寬帶噪聲接近 150 nV/?Hz（1 kHz）。相比之下，一些標(biāo)準CMOS和雙極性放大器在低于10 μA的靜態(tài)電流下提供大致相同的帶寬和更低的噪聲。

應(yīng)用

盡管存在上述所有差異，但應(yīng)用自動歸零放大器與應(yīng)用任何運算放大器并沒有太大區(qū)別。在下一期中，本文的第2部分將討論應(yīng)用考慮因素，并提供在分流器、壓力傳感器和其他應(yīng)變橋、紅外（熱電堆）傳感器和精密基準電壓源中的應(yīng)用示例。

審核編輯：郭婷