揭秘自稳零放大器：如何工作的？有缺点吗？

每当提到自动归零或斩波稳定放大器的主题时，不可避免的第一个问题是“它们是如何工作的？除了对设备内部工作的好奇心之外，大多数工程师心中真正的问题可能是：“直流精度看起来令人难以置信，但是如果我在电路中使用其中之一，我将不得不忍受什么样的奇怪行为;我该如何围绕这些问题进行设计？本文的第 1 部分将尝试回答这两个问题。在第 2 部分中，将提到一些非常流行和及时的应用程序，以说明这些部分的显着优点和一些缺点。

斩波放大器 — 工作原理

第一个斩波放大器是在50多年前发明的，通过将直流电压转换为交流信号来对抗直流放大器的漂移。最初的实现使用输入信号的开关交流耦合和交流信号的同步解调，以在输出端重新建立直流信号。这些放大器的带宽有限，需要后滤波以消除斩波动作产生的大纹波电压。

斩波稳定放大器通过使用斩波放大器稳定留在信号路径中的传统宽带放大器，解决了带宽限制问题（1）。早期的斩波稳定设计只能进行反相操作，因为稳定放大器的输出直接连接到宽带差分放大器的同相输入。现代IC“斩波器”放大器实际上采用自归零方法，使用类似于斩波稳定方案的两级或多级复合放大器结构。不同之处在于，稳定放大器信号通过额外的“调零”输入端子连接到宽带或主放大器，而不是差分输入之一。更高频率的信号通过直接连接到主放大器或使用前馈技术来绕过调零级，从而在宽带宽操作中保持稳定的零点。

因此，该技术将直流稳定性和良好的频率响应与反相和同相配置的可访问性相结合。然而，它可能产生由高水平的数字开关“噪声”组成的干扰信号，从而限制更宽可用带宽的有用性。它还会导致互调失真（IMD），这看起来像时钟信号和输入信号之间的混叠，产生和频率和差分频率的误差信号。稍后会详细介绍。

自归零放大器原理

自稳零放大器通常在每个时钟周期以两相工作，如图1a和1b所示。简化电路显示了一个归零放大器（A一个）、主（宽带）放大器 （AB）、存储电容器 （CM1和 CM2），以及用于输入和存储电容器的开关。组合放大器以典型的运算放大器增益配置所示。

在相位A中，自稳零相位（图1a），输入信号施加到主放大器（AB） 单独;主放大器的调零输入由存储在电容器C上的电压提供M2;和调零放大器（A一个） 自动归零自身，将其调零电压施加到 CM1.在相位 B 中，其调零电压由 C 提供M1，调零放大器放大施加到主放大器的输入差压，并将放大后的电压施加到主放大器和C的调零输入端M2.

图1.自归零放大器中的开关设置。

两个放大器均使用可调整运算放大器模型（图2），具有差分输入和失调调整输入。

图2.可微调运算放大器型号。

在归零阶段（相位A-图1a），归零放大器的输入短路在一起，并短路至反相输入端子（共模输入电压）。调零放大器通过反馈到其调零端子来使该电压与调零输入的增量增益的乘积近似等于A一个的输入偏移量 （V操作系统).调零电压也施加在C上M1.同时，主放大器的行为类似于普通运算放大器。其调零电压由存储在 C 上的电压提供M2.

在输出阶段（相位B-图1b），调零放大器的输入连接到主放大器的输入端子。CM1现在继续提供调零放大器所需的失调校正电压。差分输入信号由调零放大器放大，并由主放大器调零输入电路的增量增益进一步放大。它也直接被主放大器本身的增益放大（AB).运算放大器反馈将导致调零放大器的输出电压为主放大器调零输入端所需的任何电压，从而使主放大器的输入差压接近于零。放大器 A一个的输出也施加在存储电容器C上M2，这将在下一个阶段 A 中保持所需的电压。

开环放大器总直流增益大约等于调零放大器增益与宽带放大器调零端增益的乘积。总有效失调电压大约等于主放大器和归零放大器失调电压之和除以主放大器调零端的增益。该端子处的极高增益导致整个放大器的有效失调电压非常低。

当周期返回到零点阶段时，C上存储的电压M2继续有效校正主放大器的直流失调。从调零到输出阶段的周期以内部时钟和逻辑电路设定的速率连续重复。（有关自稳零放大器工作原理的详细信息，请参见AD8551/AD8552/AD8554或AD8571放大器的数据手册）。

自稳零放大器特性

现在我们已经了解了放大器的工作原理，让我们来看看它与“普通”放大器的行为。首先，请注意，关于自稳零放大器的一个常见神话是不真实的：整个放大器的增益带宽积与斩波时钟频率无关。虽然斩波时钟频率通常在几百Hz到几kHz之间，但许多最近的自稳零放大器的增益带宽积和单位增益带宽为1-3 MHz，甚至可能更高。

从工作说明中可以很容易地推断出许多非常理想的特性：直流开环电压增益是两个放大器增益的乘积，非常大，通常超过10万，即140 dB。由于较大的归零端增益对原始放大器失调的影响，失调电压非常低。自稳零放大器的典型失调电压在140微伏范围内。低有效失调电压还会影响与失调电压直流变化相关的参数，即直流CMR和PSR，通常超过40 dB。由于失调电压不断“校正”，失调随时间的变化非常小，每月仅为50-<>nV。温度效应也是如此;这种设计良好的放大器的失调温度系数仅为每°C几纳伏！

放大器工作的一个不太明显的后果是低频“1/f噪声”特性。在“普通”放大器中，输入电压噪声频谱密度与低于“转折”频率的频率呈指数成反比，“转折”频率可能从几赫兹到几百赫兹不等。这种低频噪声看起来像是斩波稳定或自稳零放大器的自动校正电路的失调误差。当频率接近直流时，自动校正操作变得更加有效。由于自稳零放大器中的高速斩波器动作，低频噪声在直流时相对平坦（无1/f噪声！在低频应用中，这种缺乏1/f噪声可能是一大优势，因为低频应用通常具有长采样间隔。

由于这些器件具有MOS输入，因此偏置电流和电流噪声非常低。然而，出于同样的原因，宽带电压噪声性能通常适中。MOS输入往往噪声较大，特别是与精密双极性处理放大器相比，后者使用大型输入器件来改善匹配，并且通常具有较大的输入级尾电流。ADI公司AD855x放大器的噪声约为大多数竞争器件的一半。然而，仍有改进的余地，几家制造商（包括ADI）已经宣布了未来低噪声自稳零放大器的计划。

电荷注入[开关驱动电压与电容器的电容耦合]发生在斩波开关打开和关闭时。这种和其他开关效应在斩波时钟频率及其谐波处产生电压和电流“噪声”瞬变。与放大器的宽带本底噪声相比，这些噪声伪影很大;如果它们落在信号路径的目标频带内，则它们可能是一个重要的误差源。更糟糕的是，这种开关会导致输出信号的互调失真，从而在和频和差频处产生额外的误差信号。如果您熟悉采样数据系统，这看起来很像输入信号和时钟信号及其谐波之间的混叠。实际上，放大器在调零阶段的增益带宽与输出阶段的增益带宽之间的微小差异会导致闭环增益在时钟频率处略有不同的值之间交替。IMD的大小取决于内部匹配，与时钟“噪声”的大小无关。IMD和谐波失真产物相对于输入信号的加起来通常约为-100至-130 dB，加上闭环增益（以dB为单位）。您将在下面看到，简单的电路技术可以限制IMD和时钟噪声在带外时的影响。

最近一些采用新颖时钟方案的自稳零放大器设计，包括ADI公司的AD857x系列，在很大程度上成功地抑制了这种行为。该系列器件采用（专利）扩频时钟技术，避免了单时钟频率引起的问题，从而产生与伪随机斩波器相关的噪声。由于固有开关噪声或“混叠”信号中在单个频率下不再存在峰值，因此这些器件可以在超出标称斩波频率的信号带宽下使用，而不会在带内显示较大的误差信号。这种放大器对于几kHz以上的信号带宽更有用。

最近的一些设备使用了更高的斩波频率，这也可以扩展有用的带宽。但是，这种方法可能会降低V操作系统性能并增加输入偏置电流（有关电荷注入效应，请参见下文）;必须仔细权衡设计权衡。在设计和布局上格外小心有助于最大限度地减少开关瞬变。

如上所述，几乎所有单芯片自稳零放大器都具有MOS输入级，往往产生相当低的输入偏置电流。如果存在较大的源阻抗，这是一个非常理想的功能。然而，电荷注入会对输入偏置电流行为产生一些意想不到的影响。

在低温下，栅极泄漏和输入保护二极管泄漏非常低，因此主要的输入偏置电流源是输入MOSFET和开关晶体管上的电荷注入。电荷注入在反相和同相输入上的方向相反，因此输入偏置电流具有相反的极性。因此，输入失调电流大于输入偏置电流。幸运的是，电荷注入引起的偏置电流相当小，在10-20pA范围内，并且对共模电压相对不敏感。

当器件温度升至40-50°C以上时，输入保护二极管的反向漏电流占主导地位;输入偏置电流随温度迅速上升（漏电流每升高10°C约一倍）。漏电流在每个输入端具有相同的极性，因此在这些高温下，输入失调电流小于输入偏置电流。此温度范围内的输入偏置电流很大程度上取决于输入共模电压，因为保护二极管上的反向偏置电压随共模电压而变化。在保护二极管连接到两个电源轨的电路中，偏置电流极性随着共模电压在电源电压范围内的摆动而变化。

由于存在存储电容，许多自稳零放大器需要很长时间才能从输出饱和中恢复（通常称为过载恢复）。对于使用外部电容器的电路尤其如此。使用内部电容器的较新设计恢复速度更快，但仍需要几毫秒才能恢复。AD855x和AD8571系列的恢复速度更快，与“普通”放大器的恢复速度大致相同，耗时不到100 μs。这种比较也适用于导通建立时间。

最后，由于自动校正功能需要复杂的附加电路，自动归零放大器在相同交流性能水平（带宽、压摆率、电压噪声和建立时间）下需要比同类非斩波放大器更多的静态电流。即使是最低功耗的自稳零放大器也需要数百微安的静态电流;它们的带宽非常适中，200 kHz 时宽带噪声接近 150 nV/ÖHz（1 kHz）。相比之下，一些标准CMOS和双极性放大器在低于10 μA的静态电流下提供大致相同的带宽和更低的噪声。

应用

尽管存在上述所有差异，但应用自动归零放大器与应用任何运算放大器并没有太大区别。在下一期中，本文的第2部分将讨论应用考虑因素，并提供在分流器、压力传感器和其他应变桥、红外（热电堆）传感器和精密基准电压源中的应用示例。

审核编辑：郭婷