自动调零放大器的工作原理及特点介绍

简介

每当自动归零或斩波稳定放大器的问题出现时，不可避免的第一个问题是“它们如何真正起作用？”除了对设备内部工作的好奇之外，大多数工程师心中的真正问题可能是：“直流精度看起来令人难以置信，但如果我在电路中使用其中一种，那么我将不得不忍受什么样的奇怪行为？ ;我怎样才能围绕这些问题进行设计呢？

斩波放大器 - 它们如何工作

第一款斩波放大器是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。初始实现使用输入信号的交流交流耦合和交流信号的同步解调，以在输出处重新建立直流信号。这些放大器的带宽有限，需要后滤波以消除斩波作用产生的大纹波电压。

斩波稳定放大器通过使用斩波放大器稳定传统的宽带放大器来解决带宽限制问题在信号路径（1）中。由于稳压放大器的输出直接连接到宽带差分放大器的非反相输入，因此早期的斩波稳定设计只能进行反相操作。现代IC“斩波器”放大器实际上采用自动调零方法，使用类似于斩波稳定方案的两级或更多级复合放大器结构。不同之处在于稳定放大器信号通过附加的“归零”输入端子而不是差分输入之一连接到宽带或主放大器。高频信号通过直接连接到主放大器或通过使用前馈技术绕过归零级，在宽带宽操作中保持稳定的零点。

该技术因此将直流稳定性和良好的频率响应与反相和非反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，这限制了更宽的可用带宽的有用性。它还会引起互调失真（IMD），它看起来像时钟信号和输入信号之间的混叠，在和频和差频产生误差信号。稍后详细介绍。

自动调零放大器原理

自动调零放大器通常在每个时钟周期以两个相位运行，如图1a和1b所示。简化电路显示归零放大器（A A ），主（宽带）放大器（A B ），存储电容（C M1 和C M2 ），以及输入和存储电容的开关。组合放大器以典型的运放增益配置显示。

在 A相中，自动调零阶段（图1a），输入信号应用于主放大器（A B ）;主放大器的归零输入由电容器C M2 上存储的电压提供;并且归零放大器（A A ）自动归零，将其归零电压应用于C M1 。在 B相中，由C M1 提供的归零电压，归零放大器放大施加到主放大器的输入差分电压，并将放大的电压施加到归零输入端。主放大器和C M2 。

图1.自动调零放大器中的开关设置。

两个放大器都使用可调整操作-amp模型（图2），带差分输入和偏移调整输入。

在归零阶段（阶段A-图1a），归零放大器的输入短接在一起和反相输入端（共模输入电压）。归零放大器通过反馈到其归零终端来归零其自身的固有偏移电压，无论是否需要相反的电压来使该电压的乘积和归零输入的增量增益近似等于A A 输入偏移量（V OS ）。归零电压也施加在C M1 上。同时，主放大器的行为类似于普通运算放大器。其归零电压由存储在C M2 上的电压提供。

在输出阶段（B阶段 - 图1b），归零放大器的输入连接到主放大器的输入端。 C M1 现在继续提供归零放大器所需的偏移校正电压。差分输入信号由归零放大器放大，并通过主放大器归零输入电路的增量增益进一步放大。它也可以通过主放大器本身的增益直接放大（A B ）。运算放大器反馈将使归零放大器的输出电压成为主放大器归零输入所需的任何电压，以使主放大器的输入差分电压接近零。放大器A A 的输出也施加在存储电容器C M2 上，它将在下一个A相期间保持所需的电压。

总数开环放大器直流增益近似等于归零放大器增益和宽带放大器归零端子增益的乘积。总有效偏移电压近似等于主放大器和归零放大器偏移电压之和除以主放大器归零端子处的增益。此端子的增益非常高，导致整个放大器的有效失调电压非常低。

当循环返回归零阶段时，C M2 上的存储电压继续有效校正主放大器的直流偏移。从归零到输出相位的循环以内部时钟和逻辑电路设置的速率连续重复。 （有关自动调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。）

自动归零放大器特性

现在我们已经看到了放大器的工作原理，让我们来看看它与“普通”放大器相关的行为。首先，请注意关于自动调零放大器的常见故事是不真实的：整个放大器的增益带宽乘积不与斩波时钟频率有关。虽然斩波时钟频率通常介于几百Hz和几kHz之间，但许多近期自动调零放大器的增益带宽积和单位增益带宽为1-3 MHz，甚至更高。

从操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（两个放大器增益的乘积）非常大，通常超过1000万或140dB。由于大的归零终端增益对原始放大器偏移的影响，偏移电压非常低。自动归零放大器的典型偏移电压在一微伏范围内。低有效偏移电压还会影响与偏移电压-DC CMR和PSR中的直流变化相关的参数，这些参数通常超过140 dB。由于偏移电压被连续“校正”，因此偏移随时间的变化非常小，每月仅为40-50nV。温度效应也是如此;这种设计良好的放大器的偏移温度系数仅为每°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“正常”放大器中，输入电压噪声谱密度与低于“拐角”频率的频率成指数地反向增加，“拐角”频率可以是几Hz到几百Hz的任何值。这种低频噪声看起来像斩波稳定或自动调零放大器的自动校正电路的偏移误差。当频率接近直流时，自动校正动作变得更有效。由于自动调零放大器中的高速斩波器动作，低频噪声相对平坦直至直流（无1 / f噪声！）。在长采样间隔很常见的低频应用中，缺少1 / f噪声是一个很大的优势。

由于这些器件具有MOS输入，因此偏置电流以及电流噪声非常低。然而，出于同样的原因，宽带电压噪声性能通常是适中的。 MOS输入往往会产生噪声，特别是与精密双极性处理放大器相比，后者使用大输入器件来改善匹配，并且通常具有宽大的输入级尾电流。 ADI公司的AD855x放大器噪声约为大多数竞争产品的一半。然而，还有改进的空间，一些制造商（包括ADI）已经宣布了未来低噪声自动调零放大器的计划。

电荷注入[开关驱动电压与电容器的电容耦合]当斩波开关打开和关闭时发生。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。与放大器的宽带噪声基底相比，这些噪声伪像很大;如果它们落在信号路径感兴趣的频带内，它们可能是一个重要的误差源。更糟糕的是，这种切换导致输出信号的互调失真，在和频和差频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带有谐波的时钟信号之间的混叠。实际上，在归零阶段和输出阶段中放大器的增益带宽之间的微小差异导致闭环增益在时钟频率处在略微不同的值之间交替。 IMD的大小取决于内部匹配，并且与时钟“噪声”的大小无关。与输入信号相比，IMD和谐波失真产品通常加起来大约-100到-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。

最近的一些自动归零放大器设计采用了新颖的时钟方案，包括来自Analog的AD857x系列设备已经成功地在很大程度上驯服了这种行为。该系列器件采用（专利）扩频时钟技术，避免了单个时钟频率引起的问题，从而导致基本上与伪随机斩波相关的噪声。由于在固有开关噪声或“混叠”信号中不再存在单一频率的峰值，因此这些器件可用于超出标称斩波频率的信号带宽，而不会出现带内出现的大误差信号。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。然而，这种方法会降低V OS 性能并增加输入偏置电流（见下文关于电荷注入效应）;必须仔细权衡设计权衡。设计和布局都非常谨慎，有助于最大限度地减少开关瞬态。

如上所述，几乎所有单片自动调零放大器都具有MOS输入级，趋向于产生相当低的输入偏置电流。如果存在大的源阻抗，这是非常期望的特征。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充电注入输入MOSFET和开关晶体管。电荷注入在反相和非反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，输入偏移电流大于输入偏置电流。幸运的是，由于电荷注入引起的偏置电流非常小，在10-20pA的范围内，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成为主导;输入偏置电流随温度迅速上升（漏电流大约每10°C增加一倍）。漏电流在每个输入端具有相同的极性，因此在这些升高的温度下，输入偏移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摆动而变化。

由于存储电容的存在，许多自动调零放大器需要长时间从输出饱和状态恢复（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得更快，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”放大器的速率大致相同 - 时间不到100μs。这种比较也适用于导通建立时间。

最后，由于自动校正功能所需的复杂附加电路，自动调零放大器需要更多的静态电流才能达到相同的水平。交流性能（带宽，压摆率，电压噪声和建立时间）比可比较的非斩波放大器。即使是功耗最低的自动调零放大器也需要数百微安的静态电流;它们具有非常适中的200 kHz带宽，宽带噪声在1 kHz时接近150 nV /√Hz。相比之下，一些标准CMOS和双极放大器提供大约相同的带宽，噪声更低，静态电流小于10μA。

应用

尽管存在上述所有差异，但应用自动归零放大器确实与应用任何运算放大器没有太大区别。在下一期中，本文的第2部分将讨论应用注意事项，并提供当前分流器，压力传感器和其他应变桥，红外（热电堆）传感器和精密电压参考的应用示例。