自动归零运算放大器在便携式讯号调理中的应用

 

　　斩波式放大器已经使用几十年了，其历史可追溯到上世纪六十年代。斩波放大器的发明主要是用来满足对超低偏置和低漂移运算放大器的需求，这种放大器比当时的双极运算放大器优异。在当初的斩波放大器中，放大器的输入和输出为开关(或断续)式，输入讯号被调变，目的是补偿偏置误差，而在输出端则无调变。这种技术虽然解决了低失调电压和低漂移问题，但也存在其它约束。由于到放大器的输入被采样，输入讯号的频率必须低于斩波频率的一半，目的是为了防止混迭。除了频宽的约束外，斩波还引起许多较大的干扰，故需在输出端对这些纹波进行平滑滤波。

　　后来，对斩波放大器进行改进，透过自校准形成了一种稳定斩波的运算放大器。这种架构中采用了两个放大器，即一个主放大器、一个零点放大器，如图1所示。零点放大器透过将输入短路到地并施加一个校准系数到其调零端来校正自己的偏置误差，然后来监视并校准主放大器的偏置。相对于老式斩波放大器，这种结构具有一个很大的优点，因为主放大器可以始终连接到IC的输入和输出。于是主放大器的频宽决定输入讯号的频宽。因此，输入频宽不再依赖斩波频率。但来自开关动作的电荷注入仍然是一个问题，将会引起瞬变并与输入讯号耦合，因而引起互调失真。

　　

 

　　图1：简化的稳定式斩波功能架构图。

　　自动归零结构在概念上类似于分别具有一个调零放大器和一个主放大器的稳定斩波放大器。不过，相对于稳定斩波放大器，在降低噪声，电荷注入乃至其它性能方面，后来都取得了很大的改进。各制造商采用不同的术语来定义这种结构，如‘自动归零’，‘自校准调零’以及‘零漂移’等。无论术语上怎么叫，背后的基本概念都是一样的。

　　自动归零结构的优点

　　如上所述，自动归零结构不断对放大器的失调电压误差进行自校准。相对于传统的放大器，这造就了以下几个显著的优点。

　　低失调电压：由于调零放大器不断地消除其自身的失调电压，并随后对主放大器施加一个校正系数。校正的频率与实际设计有关，但通常每秒有几千次。例如，Microchip 的MCP6V01自动归零放大器，每隔100 μs对主放大器校准一次，或者说每秒10,000次。由于连续不断的校准，使得失调电压比传统运算放大器低许多。此外，校准偏移电压的过程中也对其他的直流指标进行了校准，例如电源抑制和共模抑制。因此，自动归零放大器还能实现比传统放大器更好的抑制性能。

　　低温度和时间漂移：所有放大器，无论采用什么制程技术和结构，其失调电压都会随温度和时间而变化。绝大多数运算放大器都采用V/℃来定义温度漂移。该漂移可能随着不同放大器而存在很大的差异，但对于传统的放大器，通常每度变化为几微伏到几十微伏。该温度漂移对于高精密度应用来说是一个严重的问题，与初始漂移误差不一样，该漂移无法利用一次性系统校准技术进行校准。

　　除了温度漂移外，放大器的失调电压还会随着时间而变化。对于传统的运算放大器，该时间漂移(有时称作为老化)通常在数据页中没有指明，不过随着组件的老化也会产生很大的误差。

　　由于对漂移电压进行连续不断的自校准，自动归零结构从本质上将温度漂移和时间漂移降到最小。于是，自动归零放大器可以实现比传统运算放大器高得多的漂移性能。例如， MCP6V01运算放大器的最大温度漂移仅有50 nV/℃。

　　无1/f噪声：1/f噪声，或闪烁噪声，是由于传导信道的不规则性以及晶体管内偏置电流的噪声所引起的低频现象。在高频段，1/f噪声可以忽略，因为来自其它噪声源的白噪声将开始处于主导地位。如果输入讯号接近直流，如来自应力计、压力传感器和热电偶的输出讯号，则此时该低频噪声则是一个很大的问题。

　　在采用自动归零放大器中，作为漂移校准的一部份，消除了1/f噪声。由于该噪声源呈现在输入端，且行动相对较慢，因此它表现为放大器漂移的一部份并被补偿掉。

　　低偏移电流：偏移电流乃流入放大器输入端并使输入晶体管产生偏移的电流。该电流的幅度变化范围从微安到微微安，且与放大器的输入电路密切相关。该参数在放大器的输入连接高阻传感器时非常重要。由于该偏移电流流入高阻，在阻抗上产生电压降，因而导致电压误差。对于这些应用，需要考虑低偏移电流。

　　事实上如今市场上的所有归零放大器的输入级采用的都是CMOS，因而偏移电流非常小。但是，来自内部开关的电流注入能够导致比传统的CMOS输入运算放大器略为高一点的偏移电流。

　　静态电流：对于电池供电的应用，静态电流是一个关键参数。由于调零放大器和其它电路需要支持自校准自动归零结构，对于特定的频宽和压摆率，自动归零放大器通常消耗的静态电流比传统放大器要大。但在增加该结构的效率方面得到了很大的改善。某些运算放大器，例如Microchip的MCP6V03，为了减少组件待机时的静态电流，提供一个片选或切断接脚。

　　应用实例：可携式袖珍天平

　　上面指出了自动归零放大器有助于提高放大器性能的几个参数。这里将讨论使用应力计的应用实例，强调一下自动归零放大器的一些优点。

　　可携式天平是一个特殊的设备，用来秤量一些小物品，例如贵金属，珠宝以及药物。这些设备采用电池供电，通常需要的精密度高达十分之一克。因此，该应用需要高精密度、用于秤重应力计的低功率讯号调理。

　　在应力计中用电阻对外力引起的应力量进行量化。有几种不同类型的应力计，但最常见的是金属应力计。这类应力计由一根金属线或一片金属箔构成。当有力作用时，应力计的应力改变(或正或负)，因而导致应力计的电阻的变化。透过测量电阻的变化，来确定所加应力的量。通常，应力计的结构都是惠斯顿桥型，因为这种电路结构能够提供极高的灵敏度。由于电阻值的变化较小，故这种惠斯顿桥电路的总输出电压也比较小。例如，我们可以假设满量程输出为10mV。

　　图2是一个用于应用分析的简化电路。请注意，该电路并非用于完整的表征，而是被简化来显现自动归零结构的优点。例如，惠斯顿桥电路的输出应该被缓冲以提供高输入阻抗，但在简化电路中就没有绘出。在该电路中，放大器的差分增益为500，这样，来自惠斯顿桥的满量程输出将会使得放大器输出达到5V。

　　

 

　　图2：利用自动归零放大器的应用简化电路图。

　　由于在该应用中需要高增益，放大器的偏移电压降变得至关重要。任何电压偏移都将被放大器的高增益放大。例如，MCP606是一个用来实现用于修正输入偏移电压的非挥发性内存的CMOS运算放大器，其室温下的最大偏移为250 μV。如果用在该应用中，其最大偏移误差将使得放大器输出的误差高达125mV，或者说满量程的2.5%。但如果使用MCP6V01自动归零放大器，其室温下最大偏移仅为2 μV。则放大器输出的最大误差仅为1mV，即只有满量程的0.02%。

　　如上所述，自动归零结构的另一个优点是其低时间漂移和温度漂移。例如，假定该可携式秤重天平的工作温度范围为0℃到50℃。MCP606的温度漂移为1.8 μV/℃。由温度变化所产生的误差可高达90 μV，再经过放大器增益的放大，在放大器输出中又将产生45mV的误差。而MCP6V01，最大的温度漂移仅为50 nV/℃。故其引起的放大器输出中的偏移误差仅为1.25 mV，该性能比MCP606放大器高30倍。

　　如上所述，1/f是低频应用的一个限制因素，例如这里所讨论的秤重天平。MCP606运算放大器的1/f噪声讯谱角频率一般为200Hz。在这点上1/f噪声开始占据主导地位，在1Hz以下，所导致的电压-噪声密度高达200 nV/Hz。而对于MCP6V01运算放大器，由于具有自动归零校正结构，就没有1/f噪声，因而在低频段保持恒定。对于秤重天平应用，由于负载单元输出是一个变化很慢的讯号，故此时1/f是一个非常关键的因素。

　　本文小结

　　虽然如今的自动归零结构概念上可以回溯到早期的斩波放大器，但相对于早期的产品已经得到了极大的改进。老式的斩波放大器有许多能导致很大系统级设计问题的缺点。而新型的自动归零结构要好用得多，并提供好得多的性能。如上述的应用实例中，自动归零结构在这类高精密度的应用中可以提供比传统的运算放大器好得多的性能。