零漂移放大器的基本架構

 

圖1顯示了基本斬波放大器（單位增益配置）的電路圖。直流增益路徑包括輸入斬波開關網絡(CHOPIN)、第一跨導放大器(Gm1)、輸出斬波開關網絡(CHOPOUT)、第二跨導放大器(Gm2)和頻率補償電容（C1和C2）。CHOP和CHOP''''''''通過時鍾發生器和函數控製，可校正不希望出現的放大器直流失調電壓(VOS)。

 

圖2顯示了相關時序圖以及預期輸出電壓(VOUT)。當CHOP時鍾信號為高電平（A階段）
，放大器Gm1的差分輸入和輸出連接至信號路徑

，並且無反轉。由於存在VOS，因此產生正輸出電壓VOUT。當CHOP''''''''時鍾信號為高電平（B階段）

，Gm1的輸入和輸出連接信號路徑且反轉，並由於VOS而產生負輸出電壓。來自Gm1的正負輸出電壓使輸出電壓等於±VOS。時域中的這種斬波概念類似於頻域中的調製。換言之，Gm1失調電壓由CHOPOUT向上調製到斬波頻率。另一方麵
，輸入信號經由CHOPIN和CHOPOUT斬波兩次。這與向上調製然後向下調製到原始頻率的輸入信號相等。因此，進入輸出端的輸入信號不發生反轉。

 

正負輸出電壓（來自Gm1的±VOS）以電壓紋波的形式出現在VOUT（圖2）。此外，CHOP和CHOP''''''''時(shi)鍾(zhong)通(tong)過(guo)開(kai)關(guan)相(xiang)關(guan)的(de)寄(ji)生(sheng)電(dian)容(rong)耦(ou)合(he)至(zhi)差(cha)分(fen)輸(shu)入(ru)引(yin)腳(jiao)。時(shi)鍾(zhong)改(gai)變(bian)狀(zhuang)態(tai)後(hou)，電(dian)荷(he)注(zhu)入(ru)差(cha)分(fen)輸(shu)入(ru)引(yin)腳(jiao)。這(zhe)些(xie)注(zhu)入(ru)的(de)電(dian)荷(he)經(jing)由(you)有(you)限(xian)輸(shu)入(ru)源(yuan)阻(zu)抗(kang)轉(zhuan)換(huan)為(wei)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)毛(mao)刺(ci)。毛(mao)刺(ci)的(de)幅(fu)度(du)和(he)形(xing)狀(zhuang)取(qu)決(jue)於(yu)輸(shu)入(ru)源(yuan)阻(zu)抗(kang)以(yi)及(ji)差(cha)分(fen)輸(shu)入(ru)引(yin)腳(jiao)上(shang)注(zhu)入(ru)電(dian)荷(he)的(de)數(shu)量(liang)和(he)匹(pi)配(pei)程(cheng)度(du)。這(zhe)些(xie)輸(shu)出(chu)紋(wen)波(bo)和(he)毛(mao)刺(ci)會(hui)產(chan)生(sheng)開(kai)關(guan)偽(wei)像(xiang)，並(bing)在(zai)噪(zao)聲(sheng)頻(pin)譜(pu)中(zhong)的(de)斬(zhan)波(bo)頻(pin)率(lv)和(he)其(qi)整(zheng)數(shu)倍(bei)數(shu)頻(pin)率(lv)處(chu)出(chu)現(xian)增(zeng)長(chang)。此(ci)外(wai)，每(mei)個(ge)零(ling)漂(piao)移(yi)放(fang)大(da)器(qi)的(de)開(kai)關(guan)偽(wei)像(xiang)幅(fu)度(du)和(he)頻(pin)率(lv)各(ge)有(you)不(bu)同(tong)，並(bing)且(qie)各(ge)元(yuan)件(jian)之(zhi)間(jian)也(ye)有(you)所(suo)不(bu)同(tong)。本(ben)文(wen)中(zhong)，術(shu)語(yu)"斬波"和"開關頻率"可以互換使用。

 

圖1. 斬波架構

 

圖2. 斬波時序圖

 

數據手冊中的開關偽像

 

一般而言，零漂移放大器具有較大的寬帶噪聲和較低的開關頻率
，範圍從幾千赫茲到幾十k赫茲。這限製了它們隻能用於直流和低於100 Hzdeyingyong
，yishikaiguanpinlvbaochizaimubiaoxinhaodaikuanwai。duiyuyaoqiuzaigenggaodaikuanxiajuyougaojingduhedipiaoyideyingyong，shiyongkaiguanpinlvjiaogaodelingpiaoyifangdaqihenzhongyao。shishishang，kaiguanpinlvyoushihoukeyikanchenglingpiaoyifangdaqidepinzhiyinshu。jiaoxindelingpiaoyifangdaqicaiyonggaojishejijiagou
，zhenduizaigaohenduodepinlvxiajuyoujiaoxiaokaiguanweixiangersheji。liru，chulezai4.8 MHz處對失調電壓進行斬波，高電壓、雙通道

、零漂移放大器ADA4522-2還采用專利的失調和紋波校正環路，最大程度減少開關偽像。校正環路工作頻率為800 kHz
，用於消除失調電壓±VOS（如圖2所示）。將±VOS下降至其初始值的1%能改善40 dB開關偽像。這樣可以減少係統設計人員實現係統級精度目標的工作量。

 

檢測開關偽像最簡單的方法是觀察放大器的電壓噪聲密度頻譜。圖3顯示了ADA4522-2折合到輸入的電壓噪聲密度圖。注意，通道B在其800 kHz開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)處(chu)表(biao)現(xian)出(chu)了(le)噪(zao)聲(sheng)頻(pin)譜(pu)的(de)增(zeng)加(jia)。正(zheng)如(ru)前(qian)文(wen)所(suo)述(shu)，這(zhe)種(zhong)噪(zao)聲(sheng)頻(pin)譜(pu)的(de)增(zeng)加(jia)是(shi)電(dian)荷(he)注(zhu)入(ru)失(shi)配(pei)產(chan)生(sheng)的(de)副(fu)作(zuo)用(yong)。由(you)於(yu)失(shi)配(pei)取(qu)決(jue)於(yu)器(qi)件(jian)對(dui)器(qi)件(jian)以(yi)及(ji)通(tong)道(dao)對(dui)通(tong)道(dao)，因(yin)此(ci)噪(zao)聲(sheng)尖(jian)峰(feng)的(de)幅(fu)度(du)也(ye)有(you)所(suo)不(bu)同(tong)，且(qie)並(bing)非(fei)所(suo)有(you)器(qi)件(jian)都(dou)會(hui)表(biao)現(xian)出(chu)噪(zao)聲(sheng)尖(jian)峰(feng)。例(li)如(ru)，同(tong)一(yi)個(ge)器(qi)件(jian)的(de)通(tong)道(dao)A在800 kHz開關頻率處並未表現出任何噪聲尖峰。各器件之間的開關頻率還可有10%到20%的差異，具體取決於片上時鍾振蕩器頻率的變化。

 

圖3. ADA4522-2電壓噪聲密度

 

不同零漂移放大器之間的噪聲對比

 

圖4顯示了三個不同高電壓、零(ling)漂(piao)移(yi)放(fang)大(da)器(qi)折(zhe)合(he)到(dao)輸(shu)入(ru)的(de)電(dian)壓(ya)噪(zao)聲(sheng)密(mi)度(du)。注(zhu)意(yi)，測(ce)試(shi)的(de)全(quan)部(bu)三(san)個(ge)零(ling)漂(piao)移(yi)放(fang)大(da)器(qi)都(dou)表(biao)現(xian)出(chu)了(le)一(yi)定(ding)程(cheng)度(du)的(de)開(kai)關(guan)偽(wei)像(xiang)。某(mou)些(xie)開(kai)關(guan)偽(wei)像(xiang)還(hai)在(zai)其(qi)整(zheng)數(shu)倍(bei)頻(pin)率(lv)處(chu)重(zhong)複(fu)。這(zhe)些(xie)開(kai)關(guan)偽(wei)像(xiang)可(ke)能(neng)非(fei)常(chang)大(da)，並(bing)有(you)可(ke)能(neng)在(zai)電(dian)路(lu)設(she)計(ji)中(zhong)引(yin)入(ru)誤(wu)差(cha)。因(yin)此(ci)
，了(le)解(jie)它(ta)們(men)對(dui)電(dian)路(lu)的(de)影(ying)響(xiang)，然(ran)後(hou)找(zhao)到(dao)減(jian)輕(qing)影(ying)響(xiang)的(de)方(fang)法(fa)很(hen)重(zhong)要(yao)。如(ru)果(guo)放(fang)大(da)器(qi)具(ju)有(you)高(gao)於(yu)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)的(de)閉(bi)環(huan)頻(pin)率(lv)，那(na)麼(me)這(zhe)種(zhong)噪(zao)聲(sheng)頻(pin)譜(pu)的(de)增(zeng)加(jia)將(jiang)會(hui)積(ji)分(fen)至(zhi)整(zheng)個(ge)帶(dai)寬(kuan)中(zhong)，並(bing)反(fan)映(ying)在(zai)輸(shu)出(chu)端(duan)。不(bu)僅(jin)如(ru)此(ci)，折(zhe)合(he)到(dao)輸(shu)入(ru)的(de)電(dian)壓(ya)噪(zao)聲(sheng)還(hai)會(hui)被(bei)放(fang)大(da)器(qi)噪(zao)聲(sheng)增(zeng)益(yi)放(fang)大(da)。例(li)如(ru)，假(jia)定(ding)放(fang)大(da)器(qi)配(pei)置(zhi)為(wei)增(zeng)益(yi)100

，那麼折合到輸出的有效噪聲電壓密度同樣會增加100倍。

 

圖4. 不同零漂移放大器的電壓噪聲密度

 

圖5. 積分輸出電壓噪聲

 

積分至放大器輸出端的總RMS噪聲取決於放大器帶寬。輸出電壓噪聲隨可用帶寬而滾降
；因此
，增益越高或帶寬越寬

，則輸出放大器噪聲的幅度也就越大。圖5顯示了積分輸出電壓噪聲與頻率的關係。這張圖對於理解相對頻率的總積分噪聲很有用。例如
，如果放大器的帶寬通過濾波而限製在100 kHz，那麼放大器的固有電壓噪聲引起的總輸出噪聲可由該圖得知，如下所示：

 

表1. 輸出積分噪聲

 

使用通用乘法係數（稱為波峰因數）將RMS電壓轉換為峰峰值電壓，則峰峰值噪聲預計值如表1第三列所示。在一個5 V係統中，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。較低的總積分輸出噪聲總是有必要的
，因為它增加了信噪比
，並為整個係統帶來了更高的分辨率。

 

A圖5中需注意的另一個有意思的地方是積分噪聲在噪聲尖峰頻率處以階躍類函數的方式遞增。噪聲尖峰（噪聲能量增加）雖然很窄，但卻會大幅增加總輸出積分噪聲。

 

時域中的開關偽像

 

很hen多duo時shi候hou，在zai頻pin域yu的de電dian壓ya噪zao聲sheng密mi度du頻pin譜pu中zhong可ke以yi清qing楚chu地di看kan到dao開kai關guan偽wei像xiang。為wei了le理li解jie基ji於yu時shi間jian的de開kai關guan偽wei像xiang特te性xing，可ke以yi將jiang放fang大da器qi配pei置zhi為wei緩huan衝chong器qi，將jiang其qi同tong相xiang引yin腳jiao接jie地di

，並bing通tong過guo示shi波bo器qi直zhi接jie觀guan察cha輸shu出chu。圖tu6顯示了兩個零漂移放大器的典型輸出。注意，放大器A在多個幅度中表現出了輸出電壓尖峰。尖峰每隔0.66 μs就重複一次。這與圖4中1.51 MHz處看到的噪聲尖峰匹配。另一方麵，ADA4522-2在時域中未表現出任何開關偽像（藍色圖形）。換言之，噪聲尖峰低於測量係統的噪底，無法測出。這樣，設計人員可以在驅動ADC的應用中使用ADA4522-2，並十分自信地知道噪聲尖峰不會有任何問題。

 

圖6. 時域中的輸出電壓噪聲

 

減少開關偽像的濾波器

 

圖7. 帶濾波器的零漂移放大器

 

圖8. 帶後置濾波器的單位增益零漂移放大器電壓噪聲密度

 

youduozhongfangfakeyijianshaokaiguanweixiangdeyingxiang。zhexiefangfazuizhongdouyoulaiyuxianzhifangdaqidaikuan，shiqidiyukaiguanpinlv。shiyonglvboqishiyizhizaoshengjianfengdeyouxiaofangshi。zuijiandandeshejishizaifangdaqishuchuduanfangzhiyigedianzu-電容網絡，形成低通濾波器（圖7A）。圖8顯示了零漂移放大器的電壓噪聲密度，後置濾波器設計為低於開關頻率10%或20%。800 kHz時的噪聲尖峰從36 nV/Hz（無後置濾波器）下降到4.1 nV/Hz（後置濾波器為80 kHz）
，低於放大器的低頻寬帶噪聲水平。由於後置濾波器位於開關頻率以下20%頻率處（後置濾波器為8 kHz）
，噪聲尖峰不再可見，而ADA4522-2與其他任何傳統放大器都別無二致。

 

某些應用可能無法在放大器輸出端使用RC網wang絡luo。放fang大da器qi輸shu出chu電dian流liu流liu過guo濾lv波bo器qi電dian阻zu，導dao致zhi電dian壓ya失shi調tiao，引yin起qi輸shu出chu誤wu差cha。這zhe種zhong情qing況kuang下xia，可ke以yi選xuan擇ze在zai反fan饋kui環huan路lu兩liang端duan放fang置zhi一yi個ge反fan饋kui電dian容rong來lai過guo濾lv噪zao聲sheng尖jian峰feng（圖7(b)）。圖9顯示的是放大器配置為增益10時，無濾波以及在開關頻率下方10%處有後置濾波器或反饋濾波器情況下的輸出電壓噪聲密度。後置濾波器配置作為低通濾波器而言，比反饋電容更為有效。

 

圖9. 開關偽像隨濾波而減少

 

在高增益配置下使用零漂移放大器會有所幫助

 

很(hen)多(duo)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)都(dou)會(hui)使(shi)用(yong)零(ling)漂(piao)移(yi)放(fang)大(da)器(qi)，但(dan)並(bing)未(wei)在(zai)係(xi)統(tong)中(zhong)觀(guan)察(cha)到(dao)任(ren)何(he)開(kai)關(guan)偽(wei)像(xiang)。放(fang)大(da)器(qi)配(pei)置(zhi)可(ke)能(neng)是(shi)其(qi)中(zhong)一(yi)個(ge)原(yuan)因(yin)。零(ling)漂(piao)移(yi)放(fang)大(da)器(qi)具(ju)有(you)低(di)漂(piao)移(yi)和(he)失(shi)調(tiao)特(te)性(xing)，常(chang)用(yong)來(lai)在(zai)高(gao)增(zeng)益(yi)（比如100到1000的增益）配pei置zhi中zhong對dui低di電dian平ping幅fu度du傳chuan感gan器qi信xin號hao執zhi行xing信xin號hao調tiao理li。在zai高gao增zeng益yi配pei置zhi下xia使shi用yong放fang大da器qi的de效xiao果guo與yu在zai放fang大da器qi端duan放fang置zhi一yi個ge低di通tong濾lv波bo器qi的de效xiao果guo是shi一yi樣yang的de。隨sui著zhe增zeng益yi的de增zeng加jia，帶dai寬kuan會hui下xia降jiang。圖tu10顯示了高增益配置如何降低開關效應。當閉環增益為100時，開關偽像在噪聲曲線上幾乎不可見。

 

圖10. 放大器帶寬隨增益滾降

 

ADA4522-2用作零漂移放大器的優勢

 

ADI最新的零漂移運算放大器ADA4522-2采用專利和創新的電路拓撲
，可實現高開關頻率
，並且相比之前的產品能最大程度減少開關偽像。當單位增益帶寬為3 MHz且開關頻率為800 kHz和4.8 MHz時
，40的增益配置便足夠過濾開關偽像，無需外部低通濾波。該器件具有低失調電壓漂移（22 nV/°C最大值）

、低噪聲（5.8 nV/Hz，增益配置為100）、低輸入偏置電流（150 pA最大值）、高共模抑製和電源抑製性能
，是電子秤
、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用以及其他大量漂移關鍵型應用的理想選擇。

 

結論

 

零漂移放大器具有極低的失調電壓和漂移，是要求針對低電平信號進行高精度放大應用的理想選擇。下文提供一些使用建議。

 

1. 所有零漂移放大器都存在一定程度的開關偽像

，這通常在電壓噪聲密度曲線中可以檢測到。

2. 不同器件的開關偽像幅度也有所不同。

3. 器件之間開關頻率的最大差異可達20%。

4. 開關偽像可在頻域和時域中檢測到。取決於具體應用

，開關偽像可能導致誤差。

5. 零漂移放大器通常用於高增益配置中
；此時帶寬下降，因而很多情況下開關偽像不會導致任何問題。

6. 減少開關偽像
，從而降低輸出誤差量很重要。使用一個低通濾波器（RC後置濾波器或反饋電容）以便在開關頻率之前滾降放大器帶寬便可抑製偽像。

7. 高開關頻率可降低濾波器對於較寬、可用、且無偽像帶寬的要求。

 

 

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