零漂移放大器：现在易于在高精度电路中使用

作者：Gabriele Manganaro and David H. Robertson

零漂移放大器，顾名思义，是一种失调电压漂移非常接近于零的放大器。它使用自动归零或斩波技术，或两者的组合，以随着时间的推移和温度连续自我校正直流误差。这使得放大器能够实现微伏级失调和极低的失调漂移。因此，它特别适合用于具有高增益和高精度性能的信号调理电路。例如，传感器（如温度、压力或称重传感器）通常产生低电平输出电压，因此需要放大器在不引入额外误差的情况下放大其输出。零漂移放大器专为超低失调电压和漂移、高共模抑制、高电源抑制和降低1/f噪声而设计，是在要求苛刻的系统应用中实现高分辨率的理想选择，例如检测，产品生命周期较长。

零漂移放大器的基本架构

图1显示了单位增益配置下基本斩波放大器的电路图。直流增益路径由输入斩波开关网络（CHOP在）、第一跨导放大器 （Gm1）、输出斩波开关网络 （CHOP外）、第二个跨导放大器 （Gm2） 和频率补偿电容器（C1 和 C2）。CHOP 和 CHOP' 由时钟发生器控制，用于校正不需要的放大器直流失调电压 （V操作系统).

图2显示了相关的时序图和预期输出电压（V外).当CHOP时钟信号为高电平（A相位）时，放大器Gm1的差分输入和输出连接到信号路径，无反转。这导致正输出电压 V外，由于存在 V操作系统.当CHOP时钟信号为高电平（B相位）时，Gm1的输入和输出通过反转连接到信号路径，由于V导致负输出电压操作系统.Gm1的正输出电压和负输出电压导致输出电压等于±V操作系统.这种时域斩波概念类似于频域调制。换句话说，Gm1的失调电压由CHOP上调外到斩波频率。另一方面，输入信号被CHOP斩波两次在和斋壳外.这相当于输入信号被上调，然后下调到其原始频率。因此，输入信号在没有反转的情况下通过输出。

正负输出电压 （±V操作系统） 从 Gm1 显示为 V 处的电压纹波外（图2）。此外，CHOP和CHOP时钟通过与开关相关的寄生电容耦合到差分输入引脚。当时钟改变状态时，电荷注入差分输入引脚。这些电荷注入通过有限的输入源阻抗转化为输出电压毛刺。毛刺的大小和形状取决于输入源阻抗的数量和匹配以及差分输入引脚上的电荷注入。这些输出纹波和毛刺会引入开关伪像，表现为斩波频率及其多个整数频率处的噪声频谱增加。此外，每个零漂移放大器和单元之间开关伪像的幅度和频率也不同。在本文中，术语斩波和开关频率可以互换使用。

图1.斩波架构。

图2.斩波时序图。

数据手册中所示的开关伪像

传统上，零漂移放大器具有相当大的宽带噪声和低开关频率，范围从几千赫兹到几十千赫兹。这限制了它们在直流和低于100 Hz的应用上的使用，因此开关频率保持在目标信号带宽之外。对于要求在较高带宽下实现高精度和低漂移的应用，使用具有更高开关频率的零漂移放大器非常重要。事实上，开关频率有时被视为零漂移放大器的品质因数。凭借先进的设计架构，较新的零漂移放大器设计为在更高的频率下具有更小的开关伪像。例如，除了在4.8 MHz处斩波失调电压外，高压、双通道、零漂移放大器ADA4522-2还使用获得专利的失调和纹波校正环路电路来最大限度地减少开关伪影。校正环路的工作频率为800 kHz，用于消除失调电压±VOS（如图2所示）。降低±V操作系统降至其原始值的 1% 可使开关伪像改进 40 dB。这减少了系统设计人员实现目标系统级精度的工作量。

检测开关伪影的最简单方法是观察放大器的电压噪声密度谱。图3显示了ADA4522-2折合到输入端的电压噪声密度图。请注意，通道B在800 kHz开关频率下噪声频谱增加。如本文前面所述，噪声频谱的这种增加是电荷注入不匹配的副产品。由于失配取决于器件间和通道间，因此噪声尖峰的大小不同，并非所有单元都表现出噪声尖峰。例如，同一单元的通道A在800 kHz开关频率下不会出现任何噪声尖峰。由于片内时钟振荡器频率变化，不同单元的开关频率也可能相差10%至20%。

Figure 3. ADA4522-2 voltage noise density.

Noise Comparison Between Different Zero-Drift Amplifiers

图4显示了三种不同前沿高压零漂移放大器的折合到输入端的电压噪声密度。请注意，所有测试的三个零漂移放大器都表现出某种开关伪像。一些开关伪像也会在其多个整数频率下重复。这些开关伪像可能很大，可能会在电路设计中引入误差。因此，了解它们对电路的影响并找到减轻影响的方法非常重要。如果放大器的闭环频率高于开关频率，则噪声频谱的增加将在整个带宽上积分，并反映在输出端。不仅如此，这种折合到输入端的电压噪声还会被放大器噪声增益所增益。例如，假设放大器的增益配置为100，有效输出折合电压噪声密度也将增加100倍。

图4.不同零漂移放大器的电压噪声密度。

图5.集成输出电压噪声。

放大器输出端积分的总均方根噪声取决于放大器的带宽。输出电压噪声随可用带宽滚降;因此，增益越高或带宽越高，输出放大器噪声的幅度就越高。图5显示了集成输出电压噪声与频率的关系图。这是了解相对于频率的总积分噪声的有用图表。例如，如果通过滤波将放大器的带宽限制为100 kHz，则可以从图中读取由固有放大器电压噪声引起的总输出噪声，如下所示：

表 1.输出积分噪声

 

放大器	输出噪声 （μV rms）	峰峰值输出噪声 （μV 峰峰值）
ADA4522-2	1.91	12.61
放大器 A	3.33	21.98
放大器 B	6.40	42.24

 

使用公共乘法器（称为波峰因数）将均方根电压转换为峰峰值电压，表1的第三列显示了峰峰值噪声估计值。在5 V系统中，ADA4522-2提供18.6位峰峰值分辨率，而放大器B提供16.8位峰峰值分辨率。始终需要较低的总集成输出噪声，因为它可以提高信噪比并使整个系统的分辨率更高。

关于图5，另一个需要注意的有趣事情是，在噪声尖峰频率处，积分噪声随着类似阶跃的功能而增加。噪声尖峰（随着噪声能量的增加）虽然很窄，但会显著增加总输出积分噪声。

在时域中切换工件

通常，在频域的电压噪声密度谱中可以清楚地看到开关伪影。为了了解开关伪像的基于时间的行为，可以将放大器配置为缓冲器配置，将同相引脚接地，并使用示波器直接监视输出。图6显示了两个零漂移放大器的典型输出。请注意，放大器A表现出不同幅度的输出电压尖峰。尖峰每0.66 μs重复一次，这与图4中在1.51 MHz处看到的噪声尖峰相匹配。另一方面，ADA4522-2在时域中没有任何开关伪影（蓝色图）。换句话说，存在的噪声尖峰低于测量系统的本底噪声，无法检测到。这样，设计人员就可以在驱动ADC等应用中使用ADA4522-2，确信噪声尖峰不会成为问题。

图6.时域中的输出电压噪声。

用于缓解开关伪影的滤波器

图7.具有滤波器设置的零漂移放大器。

图8.带后置滤波器的单位增益零漂移放大器的电压噪声密度。

为了减少切换工件的影响，可以实现几种方法。这些方法最终导致限制放大器带宽，使其小于开关频率。使用滤波器是抑制噪声尖峰的有效方法。最简单的设计是在放大器输出端放置一个电阻电容网络，以创建一个低通滤波器（图 7A）。图8显示了零漂移放大器的电压噪声密度，其后置滤波器设计为比开关频率低一倍频程或二十倍频程。800 kHz时的噪声尖峰从36 nV/√Hz（无后置滤波器）降至4.1 nV/√Hz（80 kHz时的后置滤波器），低于放大器的低频宽带噪声电平。当后置滤波器位于开关频率以下二十倍频程（后置滤波器为8 kHz）时，噪声尖峰不再可见，ADA4522-2看起来就像任何其他传统放大器一样。

某些应用可能不能容忍在放大器输出端使用RC网络。流过滤波电阻的放大器输出电流会产生电压失调，从而引入输出误差。在这种情况下，可以选择通过在反馈环路上放置一个反馈电容来滤除噪声尖峰（图7（b））。图9显示了增益配置为10且无滤波的放大器的输出电压噪声密度与后置滤波器或反馈滤波器位于开关频率以下十倍频的输出电压噪声密度。后置滤波器配置作为低通滤波器比反馈电容更有效。

图9.使用滤镜可减少切换伪影。

在高增益配置中使用零漂移放大器有助于

许多设计人员都使用过零漂移放大器，但在其系统中没有观察到任何开关伪像。一个原因可能是由于放大器的配置。零漂移放大器具有低漂移和失调，最常用于在高增益配置（例如增益为100至1000）下对低电平幅度传感器信号进行信号调理。在高增益配置中使用放大器与在放大器上放置低通滤波器具有相同的效果。随着增益的增加，带宽会降低。图10说明了高增益配置如何减轻开关效应。闭环增益为100时，在噪声图上几乎看不到开关伪影。

图 10.放大器带宽随增益的滚降。

ADA4522-2作为零漂移放大器的优势

ADI公司最新的零漂移运算放大器ADA4522-2采用获得专利的创新电路拓扑，可实现高开关频率，并与前代产品相比，将开关伪影降至最低。单位增益带宽为3 MHz，开关频率为800 kHz和4.8 MHz，增益配置为40足以滤除开关伪像，无需外部低通滤波。其低失调电压漂移（最大值为 22 nV/°C）、5.8 nV/√Hz 时的低噪声（增益为 100 配置）、最大 150 pA 时的低输入偏置电流、高共模抑制和电源抑制使其成为电子秤、电流检测、温度传感器前端、称重传感器和桥式传感器等精密应用的理想选择， 以及更多漂移关键型应用。

结论

零漂移放大器具有极低的失调电压和漂移，是需要精确放大低电平信号的应用的理想选择。以下是使用时的一些见解。

所有零漂移放大器都表现出某种开关伪像，这通常可以在电压噪声密度图中检测到。

开关伪影的大小因单元而异。

开关频率可能因单元而异，最高可达 20%。

可以在频域和时域中检测开关伪像。根据应用程序的不同，它们可能会出现错误。

零漂移放大器通常用于高增益配置，其中带宽会降低，因此很多时候开关伪像不会造成问题。

减轻开关伪像以减少输出误差非常重要。应用一个低通滤波器（RC后置滤波器或反馈电容）在开关频率之前滚降放大器的带宽，以抑制伪像。

高开关频率简化了滤波器对宽、有用且无伪影带宽的要求。

审核编辑：郭婷