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自動歸零運算放大器在便攜式訊號調(diào)理中的應用

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作者: 時間:2010-01-27 來源:電子產(chǎn)品世界 收藏

  斬波式放大器已經(jīng)使用幾十年了,其歷史可追溯到上世紀六十年代。斬波放大器的發(fā)明主要是用來滿足對超低偏置和低漂移的需求,這種放大器比當時的雙極優(yōu)異。在當初的斬波放大器中,放大器的輸入和輸出為開關(或斷續(xù))式,輸入訊號被調(diào)變,目的是補償偏置誤差,而在輸出端則無調(diào)變。這種技術雖然解決了低失調(diào)電壓和低漂移問題,但也存在其它約束。由于到放大器的輸入被采樣,輸入訊號的頻率必須低于斬波頻率的一半,目的是為了防止混迭。除了頻寬的約束外,斬波還引起許多較大的干擾,故需在輸出端對這些紋波進行平滑濾波。

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/104104.htm

  后來,對斬波放大器進行改進,透過自校準形成了一種穩(wěn)定斬波的。這種架構中采用了兩個放大器,即一個主放大器、一個零點放大器,如圖1所示。零點放大器透過將輸入短路到地并施加一個校準系數(shù)到其調(diào)零端來校正自己的偏置誤差,然后來監(jiān)視并校準主放大器的偏置。相對于老式斬波放大器,這種結(jié)構具有一個很大的優(yōu)點,因為主放大器可以始終連接到IC的輸入和輸出。于是主放大器的頻寬決定輸入訊號的頻寬。因此,輸入頻寬不再依賴斬波頻率。但來自開關動作的電荷注入仍然是一個問題,將會引起瞬變并與輸入訊號耦合,因而引起互調(diào)失真。

  

簡化的穩(wěn)定式斬波功能架構圖

 

  圖1:簡化的穩(wěn)定式斬波功能架構圖。

  自動歸零結(jié)構在概念上類似于分別具有一個調(diào)零放大器和一個主放大器的穩(wěn)定斬波放大器。不過,相對于穩(wěn)定斬波放大器,在降低噪聲,電荷注入乃至其它性能方面,后來都取得了很大的改進。各制造商采用不同的術語來定義這種結(jié)構,如‘自動歸零’,‘自校準調(diào)零’以及‘零漂移’等。無論術語上怎么叫,背后的基本概念都是一樣的。

  自動歸零結(jié)構的優(yōu)點

  如上所述,自動歸零結(jié)構不斷對放大器的失調(diào)電壓誤差進行自校準。相對于傳統(tǒng)的放大器,這造就了以下幾個顯著的優(yōu)點。

  低失調(diào)電壓:由于調(diào)零放大器不斷地消除其自身的失調(diào)電壓,并隨后對主放大器施加一個校正系數(shù)。校正的頻率與實際設計有關,但通常每秒有幾千次。例如,Microchip 的MCP6V01自動歸零放大器,每隔100 μs對主放大器校準一次,或者說每秒10,000次。由于連續(xù)不斷的校準,使得失調(diào)電壓比傳統(tǒng)運算放大器低許多。此外,校準偏移電壓的過程中也對其他的直流指標進行了校準,例如電源抑制和共模抑制。因此,自動歸零放大器還能實現(xiàn)比傳統(tǒng)放大器更好的抑制性能。

  低溫度和時間漂移:所有放大器,無論采用什么制程技術和結(jié)構,其失調(diào)電壓都會隨溫度和時間而變化。絕大多數(shù)運算放大器都采用V/℃來定義溫度漂移。該漂移可能隨著不同放大器而存在很大的差異,但對于傳統(tǒng)的放大器,通常每度變化為幾微伏到幾十微伏。該溫度漂移對于高精密度應用來說是一個嚴重的問題,與初始漂移誤差不一樣,該漂移無法利用一次性系統(tǒng)校準技術進行校準。

  除了溫度漂移外,放大器的失調(diào)電壓還會隨著時間而變化。對于傳統(tǒng)的運算放大器,該時間漂移(有時稱作為老化)通常在數(shù)據(jù)頁中沒有指明,不過隨著組件的老化也會產(chǎn)生很大的誤差。

  由于對漂移電壓進行連續(xù)不斷的自校準,自動歸零結(jié)構從本質(zhì)上將溫度漂移和時間漂移降到最小。于是,自動歸零放大器可以實現(xiàn)比傳統(tǒng)運算放大器高得多的漂移性能。例如, MCP6V01運算放大器的最大溫度漂移僅有50 nV/℃。

  無1/f噪聲:1/f噪聲,或閃爍噪聲,是由于傳導信道的不規(guī)則性以及晶體管內(nèi)偏置電流的噪聲所引起的低頻現(xiàn)象。在高頻段,1/f噪聲可以忽略,因為來自其它噪聲源的白噪聲將開始處于主導地位。如果輸入訊號接近直流,如來自應力計、壓力傳感器和熱電偶的輸出訊號,則此時該低頻噪聲則是一個很大的問題。

  在采用自動歸零放大器中,作為漂移校準的一部份,消除了1/f噪聲。由于該噪聲源呈現(xiàn)在輸入端,且行動相對較慢,因此它表現(xiàn)為放大器漂移的一部份并被補償?shù)簟?/p>



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