零漂移放大器：现在易于在高精度电路中使用

顾名思义，零漂移放大器是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，或两者的结合，随着时间和温度的变化不断自我校正直流误差。 这使放大器能够实现微伏级偏移和极低的偏移漂移。 因此，它特别适用于具有高增益和精度性能的信号调理电路。 例如，传感器（例如温度、压力或称重传感器）通常会产生低电平输出电压，因此需要放大器来放大其输出而不引入额外的误差。 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，是在要求严苛的系统应用中实现高分辨率的理想选择，例如传感，产品生命周期长。 零漂移放大器的基本架构 图 1 显示了采用单位增益配置的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 (CHOPIN)、第一个跨导放大器 (Gm1)、输出斩波开关网络 (CHOPOUT)、第二个跨导放大器 (Gm2) 和频率补偿电容器 (C1 和 C2) 组成。 CHOP 和 CHOP' 由时钟发生器控制，用于校正不需要的放大器直流偏移电压 (VOS)。 图 2 显示了相关的时序图和预期输出电压 (VOUT)。 当CHOP时钟信号为高电平（A相）时，放大器Gm1的差分输入和输出连接到没有反相的信号路径。 由于存在 VOS，这会导致正输出电压 VOUT。 当CHOP'时钟信号为高电平（B相）时，Gm1的输入和输出连接到反相的信号路径，由于VOS导致负输出电压。 Gm1 的正负输出电压导致输出电压等于 ±VOS。 时域中的这种斩波概念类似于频域中的调制。 换句话说，Gm1 的偏移电压被 CHOPOUT 上调到斩波频率。 另一方面，输入信号被 CHOPIN 和 CHOPOUT 斩波两次。 这相当于将输入信号上调然后下调到其原始频率。 因此，输入信号通过没有反转的输出。 Gm1 的正负输出电压 (±VOS) 在 VOUT 处表现为电压纹波（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，电荷被注入差分输入引脚。 这些电荷注入通过有限的输入源阻抗转换为输出电压毛刺。 毛刺的幅度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处的电荷注入。 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噪声频谱的增加。 此外，每个零漂移放大器和不同单元的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互换使用。 图1。 斩波架构。 图2。 斩波时序图。 数据表中显示的开关伪像 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。 这将它们的使用限制为直流和低于 100 Hz 的应用，因此开关频率保持在感兴趣的信号带宽之外。 对于需要在更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，更新的零漂移放大器旨在在更高的频率下具有更小的开关伪像。 例如，除了在 4.8 MHz 处对失调电压进行斩波之外，ADA4522-2 是一款高电压、双通道、零漂移放大器，它使用获得专利的失调和纹波校正环路来最大程度地减少开关伪影。 校正环路的工作频率为 800 kHz，用于消除偏移电压 ±VOS（如图 2 所示）。 将 ±VOS 降低至其原始值的 1%，可将开关伪像改善 40 dB。 这减少了系统设计人员实现目标系统级精度的工作。 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 的输入参考电压噪声密度图。 请注意，通道 B 在其开关频率为 800 kHz 时表现出噪声频谱的增加。 正如本文前面部分所述，噪声频谱的这种增加是电荷注入不匹配的副产品。 由于失配是部件到部件和通道到通道相关的，噪声尖峰的幅度是不同的，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 的开关频率下没有出现任何噪声尖峰。 由于片上时钟振荡器频率的变化，不同单元的开关频率也可能相差 10% 到 20%。 图3。 ADA4522-2 电压噪声密度。 不同零漂移放大器之间的噪声比较 图 4 显示了三种不同前沿高压零漂移放大器的输入参考电压噪声密度。 请注意，测试的所有三个零漂移放大器都表现出某种开关伪像。 一些开关伪像也在其多个整数频率处重复。 这些开关伪影可能很重要，并可能在电路设计中引入错误。 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内积分并在输出端反射。 不仅如此，这种以输入为参考的电压噪声还会被放大器噪声增益放大。 例如，假设放大器的增益配置为 100，有效输出参考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。 在放大器输出处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 显示了积分输出电压噪声与噪声的关系图。 频率。 这是一个有助于理解与频率相关的总积分噪声的图表。 例如，如果通过滤波将放大器的带宽限制为 100 kHz，则可以从图表中读出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 集成噪声放大器 输出噪声 (µV rms) 峰峰值输出噪声 (µV pp) 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）来转换峰值电压峰电压，峰峰噪声估计显示在表 1 的第三列中。 在 5 V 系统中，ADA4522-2 将提供 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。 具有较低的总集成输出噪声总是可取的，因为它增加了信噪比并使整个系统具有更高的分辨率。 关于图 5 的另一件有趣的事情是，在噪声尖峰频率处，积分噪声随着阶跃函数的增加而增加。 噪声尖峰（随着噪声能量的增加）虽然很窄，但会显着增加总输出集成噪声。 时域中的开关伪影 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。 要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，同相引脚接地，并使用示波器直接监控输出。 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 表现出各种幅度的输出电压尖峰。 尖峰每 0.66 µs 重复一次 这与图 1.51 中在 4 MHz 处看到的噪声尖峰相匹配。 另一方面，ADA4522-2 在时域中没有出现任何开关伪影（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。 这使设计人员可以在驱动 ADC 等应用中使用 ADA4522-2，并确信噪声尖峰不会成为问题。 图6。 时域中的输出电压噪声。 减轻开关伪影的过滤器 图 7。 带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。 为了减少切换伪影的影响，有几种方法可以实现。 这些方法最终会限制放大器带宽，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 显示了带有后置滤波器的零漂移放大器的电压噪声密度，该后置滤波器设计在开关频率以下 XNUMX 或 XNUMX 倍。 800 kHz 时的噪声尖峰从 36 nV/√Hz（无后置滤波器）降低至 4.1 nV/√Hz（80 kHz 时后置滤波器），低于放大器的低频宽带噪声电平。 后置滤波器位于开关频率以下 8 倍的位置（4522 kHz 后置滤波器），噪声尖峰不再可见，ADA2-XNUMX 看起来与任何其他传统放大器一样。 某些应用可能不允许在放大器的输出端使用 RC 网络。 流经滤波器电阻器的放大器输出电流会产生电压偏移，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器来过滤噪声尖峰（图 7(b)）。 图 9 显示了增益为 10 且无滤波配置的放大器的输出电压噪声密度与滤波器的输出电压噪声密度。 具有位于开关频率以下十倍频程的后置滤波器或反馈滤波器。 后置滤波器配置作为低通滤波器比反馈电容器更有效。 图9。 使用过滤器减少切换伪像。 在高增益配置中使用零漂移放大器有帮助 许多设计人员使用了零漂移放大器，但没有在他们的系统中观察到任何开关伪影。 原因之一可能是放大器的配置。 零漂移放大器具有低漂移和偏移，最常用于在高增益配置（例如，增益为 100 至 1000）中对低电平幅度传感器信号进行信号调节。 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的效果相同。 随着增益增加，带宽减少。 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，噪声图上几乎看不到开关伪影。 图10。 放大器带宽随增益滚降。 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来实现高开关频率并最大限度地减少开关伪影。前辈。 凭借 3 MHz 的单位增益带宽和 800 kHz 和 4.8 MHz 的开关频率，40 的增益配置足以过滤开关伪影，并且无需外部低通滤波。 其最大 22 nV/°C 的低失调电压漂移、5.8 nV/√Hz 时的低噪声（100 配置增益）、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精密应用的理想选择，例如称重秤、电流传感、温度传感器前端、称重传感器和桥式传感器，以及更多漂移关键应用。 结论 零漂移放大器具有极低的失调电压和漂移特性，是需要精密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影，这通常可以在电压噪声密度图中检测到。 切换伪影的幅度因设备而异。 开关频率可能因设备而异，最多可达 20%。 可以在频域和时域中检测到开关伪像。 根据应用程序，它们可能会出现错误。 零漂移放大器通常用于高增益配置，其中带宽减少，因此很多时候，开关伪影不会造成问题。 减轻开关伪影以减少输出误差量非常重要。 应用低通滤波器（RC 后置滤波器或反馈电容器）在开关频率之前滚降放大器的带宽，以抑制伪影。 高开关频率简化了对宽、有用且无伪影带宽的滤波器要求。

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