簡介

每當(dāng)自動歸零或斬波穩(wěn)定放大器的問題出現(xiàn)時，不可避免的第一個問題是“它們?nèi)绾握嬲鹱饔?？”除了對設(shè)備內(nèi)部工作的好奇之外，大多數(shù)工程師心中的真正問題可能是：“直流精度看起來令人難以置信，但如果我在電路中使用其中一種，那么我將不得不忍受什么樣的奇怪行為？ ;我怎樣才能圍繞這些問題進行設(shè)計呢？

斬波放大器 - 它們?nèi)绾喂ぷ?/p>

第一款斬波放大器是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。初始實現(xiàn)使用輸入信號的交流交流耦合和交流信號的同步解調(diào)，以在輸出處重新建立直流信號。這些放大器的帶寬有限，需要后濾波以消除斬波作用產(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)定傳統(tǒng)的寬帶放大器來解決帶寬限制問題在信號路徑（1）中。由于穩(wěn)壓放大器的輸出直接連接到寬帶差分放大器的非反相輸入，因此早期的斬波穩(wěn)定設(shè)計只能進行反相操作?，F(xiàn)代IC“斬波器”放大器實際上采用自動調(diào)零方法，使用類似于斬波穩(wěn)定方案的兩級或更多級復(fù)合放大器結(jié)構(gòu)。不同之處在于穩(wěn)定放大器信號通過附加的“歸零”輸入端子而不是差分輸入之一連接到寬帶或主放大器。高頻信號通過直接連接到主放大器或通過使用前饋技術(shù)繞過歸零級，在寬帶寬操作中保持穩(wěn)定的零點。

該技術(shù)因此將直流穩(wěn)定性和良好的頻率響應(yīng)與反相和非反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，這限制了更寬的可用帶寬的有用性。它還會引起互調(diào)失真（IMD），它看起來像時鐘信號和輸入信號之間的混疊，在和頻和差頻產(chǎn)生誤差信號。稍后詳細(xì)介紹。

自動調(diào)零放大器原理

自動調(diào)零放大器通常在每個時鐘周期以兩個相位運行，如圖1a和1b所示。簡化電路顯示歸零放大器（A A ），主（寬帶）放大器（A B ），存儲電容（C M1 和C M2 ），以及輸入和存儲電容的開關(guān)。組合放大器以典型的運放增益配置顯示。

在 A相中，自動調(diào)零階段（圖1a），輸入信號應(yīng)用于主放大器（A B ）;主放大器的歸零輸入由電容器C M2 上存儲的電壓提供;并且歸零放大器（A A ）自動歸零，將其歸零電壓應(yīng)用于C M1 。在 B相中，由C M1 提供的歸零電壓，歸零放大器放大施加到主放大器的輸入差分電壓，并將放大的電壓施加到歸零輸入端。主放大器和C M2 。

圖1.自動調(diào)零放大器中的開關(guān)設(shè)置。

兩個放大器都使用可調(diào)整操作-amp模型（圖2），帶差分輸入和偏移調(diào)整輸入。

在歸零階段（階段A-圖1a），歸零放大器的輸入短接在一起和反相輸入端（共模輸入電壓）。歸零放大器通過反饋到其歸零終端來歸零其自身的固有偏移電壓，無論是否需要相反的電壓來使該電壓的乘積和歸零輸入的增量增益近似等于A A 輸入偏移量（V OS ）。歸零電壓也施加在C M1 上。同時，主放大器的行為類似于普通運算放大器。其歸零電壓由存儲在C M2 上的電壓提供。

在輸出階段（B階段 - 圖1b），歸零放大器的輸入連接到主放大器的輸入端。 C M1 現(xiàn)在繼續(xù)提供歸零放大器所需的偏移校正電壓。差分輸入信號由歸零放大器放大，并通過主放大器歸零輸入電路的增量增益進一步放大。它也可以通過主放大器本身的增益直接放大（A B ）。運算放大器反饋將使歸零放大器的輸出電壓成為主放大器歸零輸入所需的任何電壓，以使主放大器的輸入差分電壓接近零。放大器A A 的輸出也施加在存儲電容器C M2 上，它將在下一個A相期間保持所需的電壓。

總數(shù)開環(huán)放大器直流增益近似等于歸零放大器增益和寬帶放大器歸零端子增益的乘積?？傆行齐妷航频扔谥鞣糯笃骱蜌w零放大器偏移電壓之和除以主放大器歸零端子處的增益。此端子的增益非常高，導(dǎo)致整個放大器的有效失調(diào)電壓非常低。

當(dāng)循環(huán)返回歸零階段時，C M2 上的存儲電壓繼續(xù)有效校正主放大器的直流偏移。從歸零到輸出相位的循環(huán)以內(nèi)部時鐘和邏輯電路設(shè)置的速率連續(xù)重復(fù)。 （有關(guān)自動調(diào)零放大器工作原理的詳細(xì)信息，請參見AD8551 / AD8552 / AD8554或AD8571放大器的數(shù)據(jù)手冊。）

自動歸零放大器特性

現(xiàn)在我們已經(jīng)看到了放大器的工作原理，讓我們來看看它與“普通”放大器相關(guān)的行為。首先，請注意關(guān)于自動調(diào)零放大器的常見故事是不真實的：整個放大器的增益帶寬乘積不與斬波時鐘頻率有關(guān)。雖然斬波時鐘頻率通常介于幾百Hz和幾kHz之間，但許多近期自動調(diào)零放大器的增益帶寬積和單位增益帶寬為1-3 MHz，甚至更高。

從操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（兩個放大器增益的乘積）非常大，通常超過1000萬或140dB。由于大的歸零終端增益對原始放大器偏移的影響，偏移電壓非常低。自動歸零放大器的典型偏移電壓在一微伏范圍內(nèi)。低有效偏移電壓還會影響與偏移電壓-DC CMR和PSR中的直流變化相關(guān)的參數(shù)，這些參數(shù)通常超過140 dB。由于偏移電壓被連續(xù)“校正”，因此偏移隨時間的變化非常小，每月僅為40-50nV。溫度效應(yīng)也是如此;這種設(shè)計良好的放大器的偏移溫度系數(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“正常”放大器中，輸入電壓噪聲譜密度與低于“拐角”頻率的頻率成指數(shù)地反向增加，“拐角”頻率可以是幾Hz到幾百Hz的任何值。這種低頻噪聲看起來像斬波穩(wěn)定或自動調(diào)零放大器的自動校正電路的偏移誤差。當(dāng)頻率接近直流時，自動校正動作變得更有效。由于自動調(diào)零放大器中的高速斬波器動作，低頻噪聲相對平坦直至直流（無1 / f噪聲！）。在長采樣間隔很常見的低頻應(yīng)用中，缺少1 / f噪聲是一個很大的優(yōu)勢。

由于這些器件具有MOS輸入，因此偏置電流以及電流噪聲非常低。然而，出于同樣的原因，寬帶電壓噪聲性能通常是適中的。 MOS輸入往往會產(chǎn)生噪聲，特別是與精密雙極性處理放大器相比，后者使用大輸入器件來改善匹配，并且通常具有寬大的輸入級尾電流。 ADI公司的AD855x放大器噪聲約為大多數(shù)競爭產(chǎn)品的一半。然而，還有改進的空間，一些制造商（包括ADI）已經(jīng)宣布了未來低噪聲自動調(diào)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]當(dāng)斬波開關(guān)打開和關(guān)閉時發(fā)生。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。與放大器的寬帶噪聲基底相比，這些噪聲偽像很大;如果它們落在信號路徑感興趣的頻帶內(nèi)，它們可能是一個重要的誤差源。更糟糕的是，這種切換導(dǎo)致輸出信號的互調(diào)失真，在和頻和差頻產(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帶有諧波的時鐘信號之間的混疊。實際上，在歸零階段和輸出階段中放大器的增益帶寬之間的微小差異導(dǎo)致閉環(huán)增益在時鐘頻率處在略微不同的值之間交替。 IMD的大小取決于內(nèi)部匹配，并且與時鐘“噪聲”的大小無關(guān)。與輸入信號相比，IMD和諧波失真產(chǎn)品通常加起來大約-100到-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。

最近的一些自動歸零放大器設(shè)計采用了新穎的時鐘方案，包括來自Analog的AD857x系列設(shè)備已經(jīng)成功地在很大程度上馴服了這種行為。該系列器件采用（專利）擴頻時鐘技術(shù)，避免了單個時鐘頻率引起的問題，從而導(dǎo)致基本上與偽隨機斬波相關(guān)的噪聲。由于在固有開關(guān)噪聲或“混疊”信號中不再存在單一頻率的峰值，因此這些器件可用于超出標(biāo)稱斬波頻率的信號帶寬，而不會出現(xiàn)帶內(nèi)出現(xiàn)的大誤差信號。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。然而，這種方法會降低V OS 性能并增加輸入偏置電流（見下文關(guān)于電荷注入效應(yīng)）;必須仔細(xì)權(quán)衡設(shè)計權(quán)衡。設(shè)計和布局都非常謹(jǐn)慎，有助于最大限度地減少開關(guān)瞬態(tài)。

如上所述，幾乎所有單片自動調(diào)零放大器都具有MOS輸入級，趨向于產(chǎn)生相當(dāng)?shù)偷妮斎肫秒娏?。如果存在大的源阻抗，這是非常期望的特征。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充電注入輸入MOSFET和開關(guān)晶體管。電荷注入在反相和非反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，輸入偏移電流大于輸入偏置電流。幸運的是，由于電荷注入引起的偏置電流非常小，在10-20pA的范圍內(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成為主導(dǎo);輸入偏置電流隨溫度迅速上升（漏電流大約每10°C增加一倍）。漏電流在每個輸入端具有相同的極性，因此在這些升高的溫度下，輸入偏移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)擺動而變化。

由于存儲電容的存在，許多自動調(diào)零放大器需要長時間從輸出飽和狀態(tài)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)得更快，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”放大器的速率大致相同 - 時間不到100μs。這種比較也適用于導(dǎo)通建立時間。

最后，由于自動校正功能所需的復(fù)雜附加電路，自動調(diào)零放大器需要更多的靜態(tài)電流才能達到相同的水平。交流性能（帶寬，壓擺率，電壓噪聲和建立時間）比可比較的非斬波放大器。即使是功耗最低的自動調(diào)零放大器也需要數(shù)百微安的靜態(tài)電流;它們具有非常適中的200 kHz帶寬，寬帶噪聲在1 kHz時接近150 nV /√Hz。相比之下，一些標(biāo)準(zhǔn)CMOS和雙極放大器提供大約相同的帶寬，噪聲更低，靜態(tài)電流小于10μA。

應(yīng)用

盡管存在上述所有差異，但應(yīng)用自動歸零放大器確實與應(yīng)用任何運算放大器沒有太大區(qū)別。在下一期中，本文的第2部分將討論應(yīng)用注意事項，并提供當(dāng)前分流器，壓力傳感器和其他應(yīng)變橋，紅外（熱電堆）傳感器和精密電壓參考的應(yīng)用示例。