零漂移放大器：現(xiàn)在易于在高精度電路中使用

作者：Gabriele Manganaro and David H. Robertson

零漂移放大器，顧名思義，是一種失調(diào)電壓漂移非常接近于零的放大器。它使用自動歸零或斬波技術(shù)，或兩者的組合，以隨著時(shí)間的推移和溫度連續(xù)自我校正直流誤差。這使得放大器能夠?qū)崿F(xiàn)微伏級失調(diào)和極低的失調(diào)漂移。因此，它特別適合用于具有高增益和高精度性能的信號調(diào)理電路。例如，傳感器（如溫度、壓力或稱重傳感器）通常產(chǎn)生低電平輸出電壓，因此需要放大器在不引入額外誤差的情況下放大其輸出。零漂移放大器專為超低失調(diào)電壓和漂移、高共模抑制、高電源抑制和降低1/f噪聲而設(shè)計(jì)，是在要求苛刻的系統(tǒng)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)高分辨率的理想選擇，例如檢測，產(chǎn)品生命周期較長。

零漂移放大器的基本架構(gòu)

圖1顯示了單位增益配置下基本斬波放大器的電路圖。直流增益路徑由輸入斬波開關(guān)網(wǎng)絡(luò)（CHOP在）、第一跨導(dǎo)放大器 （Gm1）、輸出斬波開關(guān)網(wǎng)絡(luò) （CHOP外）、第二個跨導(dǎo)放大器 （Gm2） 和頻率補(bǔ)償電容器（C1 和 C2）。CHOP 和 CHOP' 由時(shí)鐘發(fā)生器控制，用于校正不需要的放大器直流失調(diào)電壓 （V操作系統(tǒng)).

圖2顯示了相關(guān)的時(shí)序圖和預(yù)期輸出電壓（V外).當(dāng)CHOP時(shí)鐘信號為高電平（A相位）時(shí)，放大器Gm1的差分輸入和輸出連接到信號路徑，無反轉(zhuǎn)。這導(dǎo)致正輸出電壓 V外，由于存在 V操作系統(tǒng).當(dāng)CHOP時(shí)鐘信號為高電平（B相位）時(shí)，Gm1的輸入和輸出通過反轉(zhuǎn)連接到信號路徑，由于V導(dǎo)致負(fù)輸出電壓操作系統(tǒng).Gm1的正輸出電壓和負(fù)輸出電壓導(dǎo)致輸出電壓等于±V操作系統(tǒng).這種時(shí)域斬波概念類似于頻域調(diào)制。換句話說，Gm1的失調(diào)電壓由CHOP上調(diào)外到斬波頻率。另一方面，輸入信號被CHOP斬波兩次在和齋殼外.這相當(dāng)于輸入信號被上調(diào)，然后下調(diào)到其原始頻率。因此，輸入信號在沒有反轉(zhuǎn)的情況下通過輸出。

正負(fù)輸出電壓 （±V操作系統(tǒng)） 從 Gm1 顯示為 V 處的電壓紋波外（圖2）。此外，CHOP和CHOP時(shí)鐘通過與開關(guān)相關(guān)的寄生電容耦合到差分輸入引腳。當(dāng)時(shí)鐘改變狀態(tài)時(shí)，電荷注入差分輸入引腳。這些電荷注入通過有限的輸入源阻抗轉(zhuǎn)化為輸出電壓毛刺。毛刺的大小和形狀取決于輸入源阻抗的數(shù)量和匹配以及差分輸入引腳上的電荷注入。這些輸出紋波和毛刺會引入開關(guān)偽像，表現(xiàn)為斬波頻率及其多個整數(shù)頻率處的噪聲頻譜增加。此外，每個零漂移放大器和單元之間開關(guān)偽像的幅度和頻率也不同。在本文中，術(shù)語斬波和開關(guān)頻率可以互換使用。

圖1.斬波架構(gòu)。

圖2.斬波時(shí)序圖。

數(shù)據(jù)手冊中所示的開關(guān)偽像

傳統(tǒng)上，零漂移放大器具有相當(dāng)大的寬帶噪聲和低開關(guān)頻率，范圍從幾千赫茲到幾十千赫茲。這限制了它們在直流和低于100 Hz的應(yīng)用上的使用，因此開關(guān)頻率保持在目標(biāo)信號帶寬之外。對于要求在較高帶寬下實(shí)現(xiàn)高精度和低漂移的應(yīng)用，使用具有更高開關(guān)頻率的零漂移放大器非常重要。事實(shí)上，開關(guān)頻率有時(shí)被視為零漂移放大器的品質(zhì)因數(shù)。憑借先進(jìn)的設(shè)計(jì)架構(gòu)，較新的零漂移放大器設(shè)計(jì)為在更高的頻率下具有更小的開關(guān)偽像。例如，除了在4.8 MHz處斬波失調(diào)電壓外，高壓、雙通道、零漂移放大器ADA4522-2還使用獲得專利的失調(diào)和紋波校正環(huán)路電路來最大限度地減少開關(guān)偽影。校正環(huán)路的工作頻率為800 kHz，用于消除失調(diào)電壓±VOS（如圖2所示）。降低±V操作系統(tǒng)降至其原始值的 1% 可使開關(guān)偽像改進(jìn) 40 dB。這減少了系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)目標(biāo)系統(tǒng)級精度的工作量。

檢測開關(guān)偽影的最簡單方法是觀察放大器的電壓噪聲密度譜。圖3顯示了ADA4522-2折合到輸入端的電壓噪聲密度圖。請注意，通道B在800 kHz開關(guān)頻率下噪聲頻譜增加。如本文前面所述，噪聲頻譜的這種增加是電荷注入不匹配的副產(chǎn)品。由于失配取決于器件間和通道間，因此噪聲尖峰的大小不同，并非所有單元都表現(xiàn)出噪聲尖峰。例如，同一單元的通道A在800 kHz開關(guān)頻率下不會出現(xiàn)任何噪聲尖峰。由于片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器頻率變化，不同單元的開關(guān)頻率也可能相差10%至20%。

Figure 3. ADA4522-2 voltage noise density.

Noise Comparison Between Different Zero-Drift Amplifiers

圖4顯示了三種不同前沿高壓零漂移放大器的折合到輸入端的電壓噪聲密度。請注意，所有測試的三個零漂移放大器都表現(xiàn)出某種開關(guān)偽像。一些開關(guān)偽像也會在其多個整數(shù)頻率下重復(fù)。這些開關(guān)偽像可能很大，可能會在電路設(shè)計(jì)中引入誤差。因此，了解它們對電路的影響并找到減輕影響的方法非常重要。如果放大器的閉環(huán)頻率高于開關(guān)頻率，則噪聲頻譜的增加將在整個帶寬上積分，并反映在輸出端。不僅如此，這種折合到輸入端的電壓噪聲還會被放大器噪聲增益所增益。例如，假設(shè)放大器的增益配置為100，有效輸出折合電壓噪聲密度也將增加100倍。

圖4.不同零漂移放大器的電壓噪聲密度。

圖5.集成輸出電壓噪聲。

放大器輸出端積分的總均方根噪聲取決于放大器的帶寬。輸出電壓噪聲隨可用帶寬滾降;因此，增益越高或帶寬越高，輸出放大器噪聲的幅度就越高。圖5顯示了集成輸出電壓噪聲與頻率的關(guān)系圖。這是了解相對于頻率的總積分噪聲的有用圖表。例如，如果通過濾波將放大器的帶寬限制為100 kHz，則可以從圖中讀取由固有放大器電壓噪聲引起的總輸出噪聲，如下所示：

表 1.輸出積分噪聲

使用公共乘法器（稱為波峰因數(shù)）將均方根電壓轉(zhuǎn)換為峰峰值電壓，表1的第三列顯示了峰峰值噪聲估計(jì)值。在5 V系統(tǒng)中，ADA4522-2提供18.6位峰峰值分辨率，而放大器B提供16.8位峰峰值分辨率。始終需要較低的總集成輸出噪聲，因?yàn)樗梢蕴岣咝旁氡炔⑹拐麄€系統(tǒng)的分辨率更高。

關(guān)于圖5，另一個需要注意的有趣事情是，在噪聲尖峰頻率處，積分噪聲隨著類似階躍的功能而增加。噪聲尖峰（隨著噪聲能量的增加）雖然很窄，但會顯著增加總輸出積分噪聲。

在時(shí)域中切換工件

通常，在頻域的電壓噪聲密度譜中可以清楚地看到開關(guān)偽影。為了了解開關(guān)偽像的基于時(shí)間的行為，可以將放大器配置為緩沖器配置，將同相引腳接地，并使用示波器直接監(jiān)視輸出。圖6顯示了兩個零漂移放大器的典型輸出。請注意，放大器A表現(xiàn)出不同幅度的輸出電壓尖峰。尖峰每0.66 μs重復(fù)一次，這與圖4中在1.51 MHz處看到的噪聲尖峰相匹配。另一方面，ADA4522-2在時(shí)域中沒有任何開關(guān)偽影（藍(lán)色圖）。換句話說，存在的噪聲尖峰低于測量系統(tǒng)的本底噪聲，無法檢測到。這樣，設(shè)計(jì)人員就可以在驅(qū)動ADC等應(yīng)用中使用ADA4522-2，確信噪聲尖峰不會成為問題。

圖6.時(shí)域中的輸出電壓噪聲。

用于緩解開關(guān)偽影的濾波器

圖7.具有濾波器設(shè)置的零漂移放大器。

圖8.帶后置濾波器的單位增益零漂移放大器的電壓噪聲密度。

為了減少切換工件的影響，可以實(shí)現(xiàn)幾種方法。這些方法最終導(dǎo)致限制放大器帶寬，使其小于開關(guān)頻率。使用濾波器是抑制噪聲尖峰的有效方法。最簡單的設(shè)計(jì)是在放大器輸出端放置一個電阻電容網(wǎng)絡(luò)，以創(chuàng)建一個低通濾波器（圖 7A）。圖8顯示了零漂移放大器的電壓噪聲密度，其后置濾波器設(shè)計(jì)為比開關(guān)頻率低一倍頻程或二十倍頻程。800 kHz時(shí)的噪聲尖峰從36 nV/√Hz（無后置濾波器）降至4.1 nV/√Hz（80 kHz時(shí)的后置濾波器），低于放大器的低頻寬帶噪聲電平。當(dāng)后置濾波器位于開關(guān)頻率以下二十倍頻程（后置濾波器為8 kHz）時(shí)，噪聲尖峰不再可見，ADA4522-2看起來就像任何其他傳統(tǒng)放大器一樣。

某些應(yīng)用可能不能容忍在放大器輸出端使用RC網(wǎng)絡(luò)。流過濾波電阻的放大器輸出電流會產(chǎn)生電壓失調(diào)，從而引入輸出誤差。在這種情況下，可以選擇通過在反饋環(huán)路上放置一個反饋電容來濾除噪聲尖峰（圖7（b））。圖9顯示了增益配置為10且無濾波的放大器的輸出電壓噪聲密度與后置濾波器或反饋濾波器位于開關(guān)頻率以下十倍頻的輸出電壓噪聲密度。后置濾波器配置作為低通濾波器比反饋電容更有效。

圖9.使用濾鏡可減少切換偽影。

在高增益配置中使用零漂移放大器有助于

許多設(shè)計(jì)人員都使用過零漂移放大器，但在其系統(tǒng)中沒有觀察到任何開關(guān)偽像。一個原因可能是由于放大器的配置。零漂移放大器具有低漂移和失調(diào)，最常用于在高增益配置（例如增益為100至1000）下對低電平幅度傳感器信號進(jìn)行信號調(diào)理。在高增益配置中使用放大器與在放大器上放置低通濾波器具有相同的效果。隨著增益的增加，帶寬會降低。圖10說明了高增益配置如何減輕開關(guān)效應(yīng)。閉環(huán)增益為100時(shí)，在噪聲圖上幾乎看不到開關(guān)偽影。

圖 10.放大器帶寬隨增益的滾降。

ADA4522-2作為零漂移放大器的優(yōu)勢

ADI公司最新的零漂移運(yùn)算放大器ADA4522-2采用獲得專利的創(chuàng)新電路拓?fù)?，可?shí)現(xiàn)高開關(guān)頻率，并與前代產(chǎn)品相比，將開關(guān)偽影降至最低。單位增益帶寬為3 MHz，開關(guān)頻率為800 kHz和4.8 MHz，增益配置為40足以濾除開關(guān)偽像，無需外部低通濾波。其低失調(diào)電壓漂移（最大值為 22 nV/°C）、5.8 nV/√Hz 時(shí)的低噪聲（增益為 100 配置）、最大 150 pA 時(shí)的低輸入偏置電流、高共模抑制和電源抑制使其成為電子秤、電流檢測、溫度傳感器前端、稱重傳感器和橋式傳感器等精密應(yīng)用的理想選擇， 以及更多漂移關(guān)鍵型應(yīng)用。

結(jié)論

零漂移放大器具有極低的失調(diào)電壓和漂移，是需要精確放大低電平信號的應(yīng)用的理想選擇。以下是使用時(shí)的一些見解。

所有零漂移放大器都表現(xiàn)出某種開關(guān)偽像，這通常可以在電壓噪聲密度圖中檢測到。

開關(guān)偽影的大小因單元而異。

開關(guān)頻率可能因單元而異，最高可達(dá) 20%。

可以在頻域和時(shí)域中檢測開關(guān)偽像。根據(jù)應(yīng)用程序的不同，它們可能會出現(xiàn)錯誤。

零漂移放大器通常用于高增益配置，其中帶寬會降低，因此很多時(shí)候開關(guān)偽像不會造成問題。

減輕開關(guān)偽像以減少輸出誤差非常重要。應(yīng)用一個低通濾波器（RC后置濾波器或反饋電容）在開關(guān)頻率之前滾降放大器的帶寬，以抑制偽像。

高開關(guān)頻率簡化了濾波器對寬、有用且無偽影帶寬的要求。

審核編輯：郭婷