如何在更宽带宽应用中使用零漂移放大器

本文简要介绍了斩波、自动归零和零漂移伪像的来源，包括放大器设计人员可用于降低其影响的一些技术摘要。它还解释了如何最大限度地降低精密信号链中这些残余交流伪影的影响，包括匹配输入源阻抗、滤波和频率规划。

介绍

零漂移运算放大器使用斩波、自动归零或两种技术的组合来消除失调和1/f噪声等不需要的低频误差源。传统上，这些放大器仅用于低带宽应用，因为这些动态技术会在较高频率下产生伪影。只要在系统设计中考虑纹波、毛刺和互调失真（IMD）等高频误差，宽带宽解决方案也可以受益于零漂移运算放大器的出色直流性能。

零漂移技术

斩击背景1 – 7

第一种零漂移技术是斩波，它使用调制通过将误差调制到更高的频率，将失调和低频噪声与信号内容分开。

图1显示了（b）斩波如何将输入信号（蓝色波形）调制为方波，在放大器中处理该信号，然后（c）将输出端的信号解调回直流。同时，放大器中的低频误差（红色波形）在输出端（c）调制为方波，然后（d）由低通滤波器（LPF）滤波。

图1.信号的时域波形（蓝色）和误差（红色）在 （a） 输入、（b） V1、（c） V2 和 （d） V 处外.

类似地，在频域中，输入信号（图2，蓝色信号）被（b）调制到斩波频率，由增益级在f砍，（c） 在输出端解调回直流，最后 （d） 通过 LPF。放大器的失调和噪声源（图2，红色信号）通过增益级在直流下处理，（c）调制至f砍通过输出斩波开关，最后（d）由LPF滤波。由于采用方波调制，调制发生在调制频率的奇数倍附近。

图2.信号的频域频谱（蓝色）和误差（红色）在 （a） 输入、（b） V1、（c） V2 和 （d） V 处外.

从频域和时域图中可以看出，由于LPF不是理想的砖墙，调制噪声和失调会产生一些残余误差。

自动归零背景1 – 3, 5 – 7

第二种零漂移技术自动归零也是一种动态校正技术，其工作原理是采样和减去放大器中的低频误差源。

图3所示为基本自稳零放大器的示例。它由一个具有失调和噪声的放大器、用于重新配置输入和输出的开关以及一个自动归零采样电容器组成。

图3.基本的自稳零放大器。

在自动归零阶段，φ1，电路的输入短路至一个公共电压，自稳零电容对输入失调电压和噪声进行采样。请注意，在此阶段，放大器不可用于信号放大。为了使自动归零放大器以连续方式工作，必须交错两个相同的通道。这称为乒乓自动归零。

在扩增阶段，φ2，输入连接回信号路径，放大器再次可用于放大信号。低频噪声、失调和漂移通过自动归零来消除，剩余误差是当前值与先前误差样本之间的差值。因为低频误差源与φ变化不大1到φ2，此减法效果很好。另一方面，高频噪声混叠至基带，导致本底白噪声增加，如图4所示。

由于噪声折叠和需要额外的通道才能连续工作，因此斩波对于独立运算放大器来说可能是一种更节能的零漂移技术。2

斩波伪影1 – 3, 5 – 7

虽然斩波可以很好地消除不需要的偏移、漂移和1/f噪声，但它会产生不需要的交流伪影，例如输出纹波和毛刺。ADI公司最近的零漂移产品已采取措施，使这些伪像的幅度更小，并位于更高的频率下，这使得系统级滤波更容易。

波纹神器

纹波是斩波调制技术的基本结果，该技术将这些低频误差移动到斩波频率的奇次谐波。放大器设计人员采用多种方法来减少纹波的影响，包括：

生产失调调整：通过执行一次性初始调整，可以显著降低标称失调，但失调漂移和1/f噪声仍然存在。

结合斩波和自动归零：放大器首先自动归零，然后斩波，将增加的噪声频谱密度（NSD）上调到更高的频率。图4显示了斩波和自动归零后产生的噪声频谱。

图4.噪声PSD：斩波或AZ之前，AZ之后，斩波之后，以及斩波和AZ之后。

自动校正反馈（ACFB）：本地反馈环路可用于检测输出端的调制纹波，并消除其源头的低频误差。

故障伪影

毛刺是由斩波开关的电荷注入不匹配引起的瞬态尖峰。这些毛刺的大小取决于许多因素，包括源阻抗和电荷失配量。1毛刺尖峰不仅会在斩波频率的偶次谐波处产生伪影，而且还会产生与斩波频率成比例的残余直流偏移。图5（左）显示了图1中V1（斩波开关内部）和V2（输出斩波开关后）的尖峰。斩波频率的偶次谐波处的额外毛刺伪像是由有限的放大器带宽引起的，如图5（右）所示。

图5.（L） 图1中V1（斩波开关内部）和V2（斩波开关外部）电荷注入产生的毛刺电压;（R） 图1中V1和V2处有限放大器带宽引起的毛刺。

与纹波一样，放大器设计人员也有减少零漂移放大器毛刺影响的技术：

电荷注入调整：可将可调电荷注入斩波放大器的输入端，以补偿电荷不匹配，从而减少运算放大器输入端的输入电流。

多通道斩波：这不仅降低了毛刺幅度，而且还将其移动到更高的频率，使滤波更容易。这种技术会导致更频繁的毛刺，但幅度比简单地以更高的频率斩波要小。图6将典型的零漂移放大器与ADA4522进行了比较，ADA4522使用这种技术可显著降低毛刺的影响。

图7.斩波放大器伪像，包括上调纹波和电荷注入毛刺。

总之，图7显示了斩波放大器的输出电压，其中包含：

上调失调和1/f噪声引起的纹波，斩波频率的奇数倍

斩波开关的电荷注入不匹配和有限放大器带宽（斩波频率的偶数倍）引起的毛刺

系统级注意事项

在数据采集解决方案中使用零漂移放大器时，了解频率伪像的位置并相应地进行规划非常重要。

在数据手册中查找斩波频率

斩波频率通常在数据手册中明确说明，但也可以通过查看噪声频谱图来确定。ADI公司最新的几个零漂移放大器数据手册显示了频谱伪像中出现的位置。

ADA4528数据手册不仅在数据手册的应用信息部分明确指出了200 kHz的斩波频率，而且在图8的噪声密度图中也可以清楚地看到这一点。

图8.ADA4528的噪声密度图。

在ADA4522数据手册的工作原理部分，斩波频率为4.8 MHz，失调和纹波校正环路的工作频率为800 kHz。图9显示了ADA4522的噪声密度，其中可见这些噪声峰值。在单位增益下，由于环路的相位裕量减小，在6 MHz处也存在噪声凸起，这并非零漂移放大器所独有。

图9.ADA4522的噪声密度图。

重要的是要记住，数据手册中描述的频率是一个典型数字，可能因器件而异。因此，如果系统需要两个斩波放大器进行差分信号调理，请使用双通道放大器，因为两个单通道放大器的斩波频率可能略有不同，可能会相互作用并导致额外的IMD。

匹配输入源阻抗

瞬态电流毛刺与输入源阻抗相互作用会导致差分电压误差，可能导致斩波频率倍数处的额外伪影。图10显示了源电阻不匹配的ADA4522噪声密度图中的尖峰（下图）。为了减轻这种潜在的误差源，系统设计人员应确保斩波放大器的每个输入都看到相同的阻抗（顶部）。

图 10.ADA4522中具有匹配（顶部）和不匹配（底部）输入源电阻的噪声。

IMD 和混叠伪像

使用斩波放大器时，输入信号可以与斩波频率f混合砍，以在 f 处创建 IMD在± f砍， f在± 2楼砍， 2楼在± f砍, ...这些IMD产品可以出现在感兴趣的波段中，特别是作为f在接近斩波频率。要消除此问题，请选择斩波频率远大于输入信号带宽的零漂移放大器，并确保频率接近f的干扰源砍在此放大器级之前进行滤波。

使用ADC对放大器输出进行采样时，斩波伪像也可能混叠。图11所示为ADC采样时毛刺频率混叠产生的IMD产品示例。这些IMD产品取决于毛刺和纹波幅度，并且可能因器件而异。设计信号链时，必须在ADC之前包括抗混叠滤波器，以降低该IMD。

图 11.IMD的一个示例，其中ADC对毛刺进行采样并在f处导致混叠样本– 2楼砍.

过滤斩波伪影

在系统层面，处理这些高频伪影的最有效方法是滤波。零漂移放大器和ADC之间的LPF可减少斩波伪影并避免混叠。因此，具有更高斩波频率的放大器放宽了LPF的要求，并允许更宽的信号带宽。

例如，图13显示了使用图12所示的各种技术使用ADA4522缓解斩波伪影的影响：增加闭环增益、后滤波以及使用与反馈电阻并联的电容。8

图 13.ADA4522 NSD使用一阶滤波器方法，如上图所示：（L）增加增益会降低放大器的带宽，从而滤除噪声峰值，（R）使用RC滤波器。

根据系统需要多少带外抑制，可能需要更高阶的有源滤波器。ADI提供多种资源来帮助滤波器设计，包括多反馈滤波器教程和在线滤波器设计工具。

了解发生斩波伪影的频率有助于创建所需的滤波器。表1显示了由零漂移放大器引起的交流伪影的位置。

神器说明	位置
脉动	f砍， 3楼砍， 5楼砍, ...
故障	2楼砍， 4楼砍， 6楼砍, ...
放大器 IMD	f在± f砍， f在± 2楼砍， 2楼在± f砍, ...
混 叠	f人工制品± f样本， f人工制品± 2楼样本， f人工制品± 3楼样本, ...

结论

通过了解零漂移放大器中的高频伪像，系统设计人员可以更有信心将零漂移运算放大器用于更宽带宽的应用。这些系统设计注意事项包括：

与零漂移放大器输入端看到的源输入阻抗相匹配

使用双通道放大器进行差分信号调理

查找数据手册噪声频谱中的伪影频率

设计滤波器，以减少动态偏移减少技术引起的高频伪影的影响

了解和规划频域中的高频伪像