揭秘自穩(wěn)零放大器：應(yīng)用考慮因素

作者：Eric Nolan and Reza Moghimi

本文由兩部分組成，第1部分介紹了自穩(wěn)零放大器的工作原理，并確定了它們的重要特性。正如所承諾的，本期將討論一些特別適合自穩(wěn)零放大器的應(yīng)用思路

應(yīng)用自穩(wěn)零放大器與應(yīng)用任何運(yùn)算放大器沒(méi)有太大區(qū)別。大多數(shù)新設(shè)計(jì)具有與任何其他放大器相同的引腳排列和功能。直流閉環(huán)增益由電阻以相同的方式設(shè)置;過(guò)濾、集成等功能也可以用同樣的方式完成。在大多數(shù)應(yīng)用中，主要對(duì)策是限制帶寬，以從通帶中排除斬波噪聲和IMD偽影。對(duì)于具有固定斬波器頻率的自動(dòng)歸零放大器，這通常將其應(yīng)用限制在低于1或2 kHz的直流或低頻信號(hào)上。

精密分流器：精密分流電流傳感器得益于差分配置中使用的自動(dòng)歸零放大器的一些獨(dú)特屬性（圖 1）。分流傳感器用于反饋控制系統(tǒng)的精密電流源。它們還用于各種其他應(yīng)用，包括電池電量計(jì)、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向中的扭矩反饋控制和精確功率計(jì)量。

圖1.分流放大器

在此類應(yīng)用中，需要使用電阻非常低的分流器來(lái)最小化串聯(lián)壓降;這最大限度地減少了功率浪費(fèi)，并允許測(cè)量大電流而不會(huì)產(chǎn)生明顯的壓降。典型的分流器可能為 0.1 W。在1+安培的測(cè)量電流值下，分流器的輸出信號(hào)為數(shù)百毫伏甚至伏特，放大器誤差源并不重要。然而，在1 mA范圍內(nèi)的低測(cè)量電流值下，分流器的100 μV輸出電壓需要非常低的失調(diào)電壓和漂移才能保持絕對(duì)精度。還需要低輸入偏置電流，以便“注入”偏置電流不會(huì)成為測(cè)量電流的顯著百分比。高開(kāi)環(huán)增益、CMR 和 PSR 都有助于保持整體電路精度。只要電流的變化率不是太大，就可以使用固定頻率的自歸零放大器，效果極佳。

通常希望將信號(hào)帶寬限制在所需的最低值，因?yàn)檫@可以最大限度地減少斬波時(shí)鐘噪聲的影響，也可以最小化總噪聲。請(qǐng)記住，自穩(wěn)零放大器的總電壓噪聲與信號(hào)帶寬的平方根成正比（EN= eN× √BW）。通過(guò)添加與反饋電阻并聯(lián)的可選電容（C），可以創(chuàng)建一個(gè)簡(jiǎn)單的低通濾波器。放大電壓電平下的額外增益和濾波可以通過(guò)使用普通放大器的附加級(jí)提供。憑借其高開(kāi)環(huán)增益，自穩(wěn)零放大器可以輕松提供100×至1000×的閉環(huán)增益，允許在下一級(jí)使用具有幾毫伏失調(diào)和相當(dāng)高電壓噪聲的廉價(jià)CMOS放大器，而不會(huì)犧牲系統(tǒng)精度。如果放大器的增益帶寬除以級(jí)增益小于斬波時(shí)鐘頻率的一半，則對(duì)自穩(wěn)零放大器使用高級(jí)增益也會(huì)給濾波器滾降增加一個(gè)額外的極點(diǎn)。但是，濾波器性能會(huì)受到放大器之間GBW變化的影響。

如果信號(hào)頻率超過(guò)斬波時(shí)鐘頻率的一半左右，則可以使用具有偽隨機(jī)時(shí)鐘速率的自穩(wěn)零放大器類型，例如AD8571。在這種情況下，由于寬帶噪聲略高，帶寬較高，最大整體精度將略有下降;但斬波時(shí)鐘在時(shí)鐘頻率處不會(huì)產(chǎn)生較大的誤差項(xiàng)，IMD的影響將最小化。

應(yīng)變橋： 另一種常見(jiàn)的應(yīng)用是應(yīng)變橋，其中低偏移和相關(guān)低頻性能有助于實(shí)現(xiàn)寬動(dòng)態(tài)范圍。這些電橋用于力和壓力傳感器以及電子秤，即使在滿量程時(shí)，通常也能產(chǎn)生相對(duì)較小的輸出電壓電平。在本例中，四通道AD8554中的四個(gè)放大器中的三個(gè)用于激勵(lì)和差分放大（見(jiàn)圖2）。滿量程輸出可能是幾十毫伏。在這種情況下，自穩(wěn)零放大器的極低失調(diào)電壓對(duì)測(cè)量信號(hào)的誤差最小。電子秤的長(zhǎng)采樣時(shí)間得益于沒(méi)有1/f噪聲。放大器的低長(zhǎng)期漂移也最大限度地減少或消除了重新校準(zhǔn)要求。

圖2.單電源應(yīng)變計(jì)橋式放大器

壓力傳感器系統(tǒng)通常需要線性化以產(chǎn)生準(zhǔn)確的輸出值，因此受益于低失調(diào)和漂移。特性良好的傳感器可以縮放和線性化，而不必?fù)?dān)心與放大器的相互作用，因?yàn)樵黾拥姆糯笃髡`差項(xiàng)可以忽略不計(jì)。低輸入偏置電流也允許使用更高的電橋阻抗;這可以顯著改善便攜式或環(huán)路供電應(yīng)用中的系統(tǒng)功耗，因?yàn)閷?duì)于相同的輸出范圍，電橋激勵(lì)電流可能要低得多。較低的電橋激勵(lì)電流還最大限度地減少了電橋自發(fā)熱引起的誤差。大多數(shù)應(yīng)變橋應(yīng)用本質(zhì)上都是低頻的，因此固定頻率自穩(wěn)零放大器的有限有用帶寬不是問(wèn)題。通過(guò)使用隨機(jī)時(shí)鐘的自穩(wěn)零放大器，可以適應(yīng)使用具有更高頻率輸出或交流激勵(lì)的電橋。

紅外（IR）傳感器，特別是熱電堆，越來(lái)越多地用于溫度測(cè)量，應(yīng)用范圍廣泛，如汽車氣候控制、人耳溫度計(jì)、家庭絕緣分析和汽車維修診斷。傳感器相對(duì)較小的輸出信號(hào)需要高增益和極低的失調(diào)電壓和漂移，以避免直流誤差。如果使用級(jí)間交流耦合（圖3），低失調(diào)和漂移可防止輸入放大器的輸出漂移到接近飽和。低輸入偏置電流從傳感器的輸出阻抗產(chǎn)生最小的誤差。與壓力傳感器一樣，放大器隨時(shí)間和溫度的漂移非常低，消除了校準(zhǔn)溫度測(cè)量后的額外誤差。低 1/f 噪聲可改善在通常超過(guò) 1/5 秒的時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行直流測(cè)量的 SNR。圖3顯示的放大器可將100至300微伏的交流信號(hào)提升至1至3 V電平。

圖3.用于熱電堆的高輸入阻抗交流耦合前置放大器

精密基準(zhǔn)電壓源（圖4）：低壓系統(tǒng)中的精密基準(zhǔn)電壓源IC可能缺乏處理所有工作的靈活性。例如，（a）它們可能需要低壓差，或（b）它們可能必須處理源極和灌電流負(fù)載電流，或（c）使用它們的系統(tǒng)可能只需要一個(gè)負(fù)基準(zhǔn)電壓源以及正基準(zhǔn)電壓源。憑借極低的失調(diào)和漂移、輸出驅(qū)動(dòng)能力以及有源反饋的使用，自穩(wěn)零放大器與精密基準(zhǔn)電壓源相結(jié)合，可以為這些問(wèn)題提供有效的解決方案。

圖4.精密放大器增強(qiáng)了精密基準(zhǔn)電壓源的靈活性

以上只是一些想法，表明自動(dòng)歸零放大器的廣泛適用性。幾乎任何在中等信號(hào)帶寬下處理小輸入信號(hào)和寬動(dòng)態(tài)范圍的應(yīng)用都值得考慮使用自穩(wěn)零放大器來(lái)改善性能。經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)且必須在不維護(hù)的情況下長(zhǎng)時(shí)間保持性能的系統(tǒng)也將受益。任何需要嚴(yán)格通道間直流性能匹配的應(yīng)用也是候選應(yīng)用。高增益自歸零放大器的直流誤差貢獻(xiàn)非常小，以至于使用多通道甚至單通道器件不會(huì)顯著降低多個(gè)輸入通道的匹配性能。多個(gè)器件（雙通道和四通道）也有助于匹配的低頻交流輸入。

是呢環(huán)保局：郭婷