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零漂移放大器

零漂移放大器

零漂移放大器

零漂移放大器是指失调电压漂移接近于0的放大器。它连续自动校正任何直流误差,实现超低水平的失调电压、时间漂移和温度漂移。零漂移放大器的常见特性包括:超低失调电压和漂移、高开环增益、高电源抑制、高共模抑制以及零1/f噪声。

工作原理

自稳零型放大器,如AD8538、AD8638、AD8551和AD8571系列,通常分两个时钟阶段校正输入失调。在时钟阶段A中,开关φA闭合,开关φB断开,如图1所示。指零放大器的失调电压经过测量后,储存在电容CM1上。
在时钟阶段B中,开关φB闭合,开关φA断开,如图2所示。主放大器的失调电压经过测量后,储存在电容CM2上,同时,储存在电容CM1中的电压调节指零放大器的失调。进而,在处理输入信号时将总失调电压施加到主放大器上
零漂移放大器
採样保持功能会将自稳零型放大器变为採样数据系统,使其容易发生混叠和折回效应。低频时,噪声变化缓慢,因此两个连续噪声採样相减可实现真正的抵消。高频时,这种相关性减弱,相减误差导致宽频成分折回基带。因此,自稳零型放大器的带内噪声高于标準运算放大器。为了减少低频噪声,必须提高採样频率,但这会引入额外的电荷注入。信号路径仅包括主放大器,因而可以获得相对较大的单位增益频宽。
斩波放大器的工作原理
图3显示斩波型放大器ADA4051的功能框图,它採用本地自动校正反馈(ACFB)环路。主信号路径包括输入斩波网路CHOP1、跨导放大器Gm1、输出斩波网路CHOP2和跨导放大器Gm2。CHOP1和CHOP2将来自Gm 1初始失调和1/f噪声调製到斩波频率。跨导放大器Gm3检测CHOP2输出端的调製纹波,斩波网路CHOP3将该纹波解调回DC。所有三个斩波网路的开关频率均为40 kHz。最后,跨导放大器Gm4消除Gm1输出端的直流成分,否则,它会作为纹波出现在总输出中。开关电容陷波滤波器(SCNF)有选择地抑制不需要的失调相关纹波,但不会干扰总输出中的有用输入信号,它与斩波时钟同步,以便完全地滤除调製分量。
零漂移放大器

常见套用

零漂移放大器常用于使用低幅度信号、频率低于100Hz、要求高闭环增益的精密套用。此类套用包括:精密电子秤、称重感测器、桥式/热电偶感测器前端、医疗仪器和精密计量设备。

设计技术

零漂移放大器可以採用不同的技术来设计:自稳零、斩波或二者之组合。每种技术都有其优缺点,适合不同的套用。自稳零使用採样保持技术,由于噪声折回基带,其带内电压噪声较大。斩波使用信号调製和解调技术,基带噪声较低,但在斩波频率及其谐波处会产生噪声能量谱。为了降低低频噪声和斩波频率处的噪声能量,可以综合使用这两种技术。

相关问题与影响

使用零漂移放大器时会遇到哪些套用问题?
  零漂移放大器是利用数字电路动态校正模拟失调误差的複合放大器。数字开关动作会造成电荷注入、时钟馈通、交调失真和过载恢复时间延长,从而可能在设计不佳的模拟电路中引起问题。时钟馈通的幅度随着闭环增益或信号源阻抗增大而增大;在输出端增加一个滤波器,或者在同相输入端使用一个低值电阻,可以减小其影响。此外,输入频率越接近斩波频率,零漂移放大器的输出纹波越大。
对频率高于内部时钟频率的信号有何影响?
  频率高于自稳零频率的信号会被放大。自稳零型放大器的速度取决于增益频宽积,后者取决于主放大器,而不是零点校準放大器;自稳零频率指示何时开始出现开关伪像。
自稳零型与斩波型有何区别?
  自稳零型通过採样校正失调,斩波型则採用调製和解调。採样会导致噪声折回基带,因此自稳零型放大器的带内噪声较大。为了抑制噪声,需要使用更大电流,因此其功耗一般较高。斩波型放大器具有与其平带噪声一致的低频噪声,但在斩波频率时会产生大量能量和谐波。可能需要进行输出滤波,因此这些放大器最适合低频套用。自稳零和斩波技术的典型噪声特性如图5所示。

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