零漂移放大器原理及应用

什么是零漂移放大器？
零漂移放大器可动态校正其失调电压并重整其噪声密度。自稳零型和斩波型是两种常用类型，可实现nV级失调电压和极低的失调电压时间/温度漂移。放大器的1/f噪声也视为直流误差，也可一并消除。零漂移放大器为设计师提供了很多好处：首先，温漂和1/f噪声在系统中始终起着干扰作用，很难以其它方式消除，其次，相对于标准的放大器，零漂移放大器具有较高的开环增益、电源抑制比和共模抑制比，另外，在相同的配置下，其总输出误差低于采用标准精密放大器的输出误差。

零漂移放大器适合哪些应用？
零漂移放大器适用于预期设计寿命10年以上的系统，以及使用高闭环增益(>100)和低频(<100 Hz)、低幅度信号的信号链。应用示例包括精密电子秤、医疗仪器、精密计量设备和红外/电桥/热电堆传感器接口。

自稳零型放大器的工作原理
自稳零型放大器，如AD8538、AD8638、AD8551和AD8571系列，通常分两个时钟阶段校正输入失调。在时钟阶段A中，开关φA闭合，开关φB断开，如图1所示。指零放大器的失调电压经过测量后，储存在电容CM1上。

图1. 自稳零型放大器的阶段A：零点校准阶段

在时钟阶段B中，开关φB闭合，开关φA断开，如图2所示。主放大器的失调电压经过测量后，储存在电容CM2上，同时，储存在电容CM1中的电压调节指零放大器的失调。进而，在处理输入信号时将总失调电压施加到主放大器上

图2. 自稳零型放大器的阶段B：自稳零阶段

采样保持功能会将自稳零型放大器变为采样数据系统，使其容易发生混叠和折回效应。低频时，噪声变化缓慢，因此两个连续噪声采样相减可实现真正的抵消。高频时，这种相关性减弱，相减误差导致宽带成分折回基带。因此，自稳零型放大器的带内噪声高于标准运算放大器。为了减少低频噪声，必须提高采样频率，但这会引入额外的电荷注入。信号路径仅包括主放大器，因而可以获得相对较大的单位增益带宽。

斩波放大器的工作原理
图3显示斩波型放大器ADA4051的功能框图，它采用本地自动校正反馈(ACFB)环路。主信号路径包括输入斩波网络CHOP1、跨导放大器Gm1、输出斩波网络CHOP2和跨导放大器Gm2。CHOP1和CHOP2将来自Gm 1初始失调和1/f噪声调制到斩波频率。跨导放大器Gm3检测CHOP2输出端的调制纹波，斩波网络CHOP3将该纹波解调回DC。所有三个斩波网络的开关频率均为40 kHz。最后，跨导放大器Gm4消除Gm1输出端的直流成分，否则，它会作为纹波出现在总输出中。开关电容陷波滤波器(SCNF)有选择地抑制不需要的失调相关纹波，但不会干扰总输出中的有用输入信号，它与斩波时钟同步，以便完全地滤除调制分量。

图3. ADA4051所用斩波方案

这两种技术可以结合使用吗？
ADI公司新系列放大器正是这样做的。图4所示的零漂移放大器AD8628同时使用自稳零和斩波技术来降低斩波频率时的能量，同时将低频噪声保持在非常低的水平。相对于传统零漂移放大器，这种技术组合可以实现更宽的带宽。

图4. AD8628集自稳零和斩波于一体，可实现更宽的带宽

使用零漂移放大器时会遇到哪些应用问题？
零漂移放大器是利用数字电路动态校正模拟失调误差的复合放大器。数字开关动作会造成电荷注入、时钟馈通、交调失真和过载恢复时间延长，从而可能在设计不佳的模拟电路中引起问题。时钟馈通的幅度随着闭环增益或信号源阻抗增大而增大；在输出端增加一个滤波器，或者在同相输入端使用一个低值电阻，可以减小其影响。此外，输入频率越接近斩波频率，零漂移放大器的输出纹波越大。

对频率高于内部时钟频率的信号有何影响？
频率高于自稳零频率的信号会被放大。自稳零型放大器的速度取决于增益带宽积，后者取决于主放大器，而不是零点校准放大器；自稳零频率指示何时开始出现开关伪像。

自稳零型与斩波型有何区别？
自稳零型通过采样校正失调，斩波型则采用调制和解调。采样会导致噪声折回基带，因此自稳零型放大器的带内噪声较大。为了抑制噪声，需要使用更大电流，因此其功耗一般较高。斩波型放大器具有与其平带噪声一致的低频噪声，但在斩波频率时会产生大量能量和谐波。可能需要进行输出滤波，因此这些放大器最适合低频应用。自稳零和斩波技术的典型噪声特性如图5所示。

图5. 各种放大器结构的典型噪声与频率的关系

何时用自稳零型放大器？何时用斩波型放大器？

斩波型放大器适合低功耗、低频应用(<100 Hz)，自稳零型放大器则更适合宽带应用。AD8628集自稳零和斩波两种技术于一体，堪称要求低噪声、无开关毛刺、宽带宽应用的理想之选。表1列出一些设计的利弊因素。

表1

自稳零型	斩波稳定型	斩波稳定型 + 自稳零型
极低失调TCVOS	极低失调TCVOS	极低失调TCVOS
采样保持	调制/解调	采样保持、调制/解调
混叠导致低频噪声较高	类似于平带噪声（无混叠）	随频率分布的组合噪声
功耗较高	功耗较低	功耗较高
宽带宽	窄带宽	带宽最宽
纹波最小	纹波最大	纹波水平低于斩波型
在自稳零频率上的能量很小	在斩波频率上能量很大	在自稳零频率上的能量很小