零漂移放大器原理及應用
什么是零漂移放大器?
零漂移放大器可動態校正其失調電壓并重整其噪聲密度。自穩零型和斬波型是兩種常用類型,可實現nV級失調電壓和極低的失調電壓時間/溫度漂移。放大器的1/f噪聲也視為直流誤差,也可一并消除。零漂移放大器為設計師提供了很多好處:首先,溫漂和1/f噪聲在系統中始終起著干擾作用,很難以其它方式消除,其次,相對于標準的放大器,零漂移放大器具有較高的開環增益、電源抑制比和共模抑制比,另外,在相同的配置下,其總輸出誤差低于采用標準精密放大器的輸出誤差。
零漂移放大器適合哪些應用?
零漂移放大器適用于預期設計壽命10年以上的系統,以及使用高閉環增益(>100)和低頻(100 Hz)、低幅度信號的信號鏈。應用示例包括精密電子秤、醫療儀器、精密計量設備和紅外/電橋/熱電堆傳感器接口。
自穩零型放大器的工作原理
自穩零型放大器,如AD8538、AD8638、AD8551和AD8571系列,通常分兩個時鐘階段校正輸入失調。在時鐘階段A中,開關φA閉合,開關φB斷開,如圖1所示。指零放大器的失調電壓經過測量后,儲存在電容CM1上。
圖1. 自穩零型放大器的階段A:零點校準階段
在時鐘階段B中,開關φB閉合,開關φA斷開,如圖2所示。主放大器的失調電壓經過測量后,儲存在電容CM2上,同時,儲存在電容CM1中的電壓調節指零放大器的失調。進而,在處理輸入信號時將總失調電壓施加到主放大器上
圖2. 自穩零型放大器的階段B:自穩零階段
采樣保持功能會將自穩零型放大器變為采樣數據系統,使其容易發生混疊和折回效應。低頻時,噪聲變化緩慢,因此兩個連續噪聲采樣相減可實現真正的抵消。高頻時,這種相關性減弱,相減誤差導致寬帶成分折回基帶。因此,自穩零型放大器的帶內噪聲高于標準運算放大器。為了減少低頻噪聲,必須提高采樣頻率,但這會引入額外的電荷注入。信號路徑僅包括主放大器,因而可以獲得相對較大的單位增益帶寬。
斬波放大器的工作原理
圖3顯示斬波型放大器ADA4051的功能框圖,它采用本地自動校正反饋(ACFB)環路。主信號路徑包括輸入斬波網絡CHOP1、跨導放大器Gm1、輸出斬波網絡CHOP2和跨導放大器Gm2。CHOP1和CHOP2將來自Gm 1初始失調和1/f噪聲調制到斬波頻率??鐚Х糯笃鱃m3檢測CHOP2輸出端的調制紋波,斬波網絡CHOP3將該紋波解調回DC。所有三個斬波網絡的開關頻率均為40 kHz。最后,跨導放大器Gm4消除Gm1輸出端的直流成分,否則,它會作為紋波出現在總輸出中。開關電容陷波濾波器(SCNF)有選擇地抑制不需要的失調相關紋波,但不會干擾總輸出中的有用輸入信號,它與斬波時鐘同步,以便完全地濾除調制分量。
圖3. ADA4051所用斬波方案
這兩種技術可以結合使用嗎?
ADI公司新系列放大器正是這樣做的。圖4所示的零漂移放大器AD8628同時使用自穩零和斬波技術來降低斬波頻率時的能量,同時將低頻噪聲保持在非常低的水平。相對于傳統零漂移放大器,這種技術組合可以實現更寬的帶寬。
圖4. AD8628集自穩零和斬波于一體,可實現更寬的帶寬
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