如何在更寬帶寬應用中使用零漂移放大器

本文簡要介紹了斬波、自動歸零和零漂移偽像的來源，包括放大器設計人員可用于降低其影響的一些技術摘要。它還解釋了如何最大限度地降低精密信號鏈中這些殘余交流偽影的影響，包括匹配輸入源阻抗、濾波和頻率規(guī)劃。

介紹

零漂移運算放大器使用斬波、自動歸零或兩種技術的組合來消除失調(diào)和1/f噪聲等不需要的低頻誤差源。傳統(tǒng)上，這些放大器僅用于低帶寬應用，因為這些動態(tài)技術會在較高頻率下產(chǎn)生偽影。只要在系統(tǒng)設計中考慮紋波、毛刺和互調(diào)失真（IMD）等高頻誤差，寬帶寬解決方案也可以受益于零漂移運算放大器的出色直流性能。

零漂移技術

斬擊背景1 – 7

第一種零漂移技術是斬波，它使用調(diào)制通過將誤差調(diào)制到更高的頻率，將失調(diào)和低頻噪聲與信號內(nèi)容分開。

圖1顯示了（b）斬波如何將輸入信號（藍色波形）調(diào)制為方波，在放大器中處理該信號，然后（c）將輸出端的信號解調(diào)回直流。同時，放大器中的低頻誤差（紅色波形）在輸出端（c）調(diào)制為方波，然后（d）由低通濾波器（LPF）濾波。

圖1.信號的時域波形（藍色）和誤差（紅色）在 （a） 輸入、（b） V1、（c） V2 和 （d） V 處外.

類似地，在頻域中，輸入信號（圖2，藍色信號）被（b）調(diào)制到斬波頻率，由增益級在f砍，（c） 在輸出端解調(diào)回直流，最后 （d） 通過 LPF。放大器的失調(diào)和噪聲源（圖2，紅色信號）通過增益級在直流下處理，（c）調(diào)制至f砍通過輸出斬波開關，最后（d）由LPF濾波。由于采用方波調(diào)制，調(diào)制發(fā)生在調(diào)制頻率的奇數(shù)倍附近。

圖2.信號的頻域頻譜（藍色）和誤差（紅色）在 （a） 輸入、（b） V1、（c） V2 和 （d） V 處外.

從頻域和時域圖中可以看出，由于LPF不是理想的磚墻，調(diào)制噪聲和失調(diào)會產(chǎn)生一些殘余誤差。

自動歸零背景1 – 3, 5 – 7

第二種零漂移技術自動歸零也是一種動態(tài)校正技術，其工作原理是采樣和減去放大器中的低頻誤差源。

圖3所示為基本自穩(wěn)零放大器的示例。它由一個具有失調(diào)和噪聲的放大器、用于重新配置輸入和輸出的開關以及一個自動歸零采樣電容器組成。

圖3.基本的自穩(wěn)零放大器。

在自動歸零階段，φ1，電路的輸入短路至一個公共電壓，自穩(wěn)零電容對輸入失調(diào)電壓和噪聲進行采樣。請注意，在此階段，放大器不可用于信號放大。為了使自動歸零放大器以連續(xù)方式工作，必須交錯兩個相同的通道。這稱為乒乓自動歸零。

在擴增階段，φ2，輸入連接回信號路徑，放大器再次可用于放大信號。低頻噪聲、失調(diào)和漂移通過自動歸零來消除，剩余誤差是當前值與先前誤差樣本之間的差值。因為低頻誤差源與φ變化不大1到φ2，此減法效果很好。另一方面，高頻噪聲混疊至基帶，導致本底白噪聲增加，如圖4所示。

由于噪聲折疊和需要額外的通道才能連續(xù)工作，因此斬波對于獨立運算放大器來說可能是一種更節(jié)能的零漂移技術。2

斬波偽影1 – 3, 5 – 7

雖然斬波可以很好地消除不需要的偏移、漂移和1/f噪聲，但它會產(chǎn)生不需要的交流偽影，例如輸出紋波和毛刺。ADI公司最近的零漂移產(chǎn)品已采取措施，使這些偽像的幅度更小，并位于更高的頻率下，這使得系統(tǒng)級濾波更容易。

波紋神器

紋波是斬波調(diào)制技術的基本結(jié)果，該技術將這些低頻誤差移動到斬波頻率的奇次諧波。放大器設計人員采用多種方法來減少紋波的影響，包括：

生產(chǎn)失調(diào)調(diào)整：通過執(zhí)行一次性初始調(diào)整，可以顯著降低標稱失調(diào)，但失調(diào)漂移和1/f噪聲仍然存在。

結(jié)合斬波和自動歸零：放大器首先自動歸零，然后斬波，將增加的噪聲頻譜密度（NSD）上調(diào)到更高的頻率。圖4顯示了斬波和自動歸零后產(chǎn)生的噪聲頻譜。

圖4.噪聲PSD：斬波或AZ之前，AZ之后，斬波之后，以及斬波和AZ之后。

自動校正反饋（ACFB）：本地反饋環(huán)路可用于檢測輸出端的調(diào)制紋波，并消除其源頭的低頻誤差。

故障偽影

毛刺是由斬波開關的電荷注入不匹配引起的瞬態(tài)尖峰。這些毛刺的大小取決于許多因素，包括源阻抗和電荷失配量。1毛刺尖峰不僅會在斬波頻率的偶次諧波處產(chǎn)生偽影，而且還會產(chǎn)生與斬波頻率成比例的殘余直流偏移。圖5（左）顯示了圖1中V1（斬波開關內(nèi)部）和V2（輸出斬波開關后）的尖峰。斬波頻率的偶次諧波處的額外毛刺偽像是由有限的放大器帶寬引起的，如圖5（右）所示。

圖5.（L） 圖1中V1（斬波開關內(nèi)部）和V2（斬波開關外部）電荷注入產(chǎn)生的毛刺電壓;（R） 圖1中V1和V2處有限放大器帶寬引起的毛刺。

與紋波一樣，放大器設計人員也有減少零漂移放大器毛刺影響的技術：

電荷注入調(diào)整：可將可調(diào)電荷注入斬波放大器的輸入端，以補償電荷不匹配，從而減少運算放大器輸入端的輸入電流。

多通道斬波：這不僅降低了毛刺幅度，而且還將其移動到更高的頻率，使濾波更容易。這種技術會導致更頻繁的毛刺，但幅度比簡單地以更高的頻率斬波要小。圖6將典型的零漂移放大器與ADA4522進行了比較，ADA4522使用這種技術可顯著降低毛刺的影響。

圖7.斬波放大器偽像，包括上調(diào)紋波和電荷注入毛刺。

總之，圖7顯示了斬波放大器的輸出電壓，其中包含：

上調(diào)失調(diào)和1/f噪聲引起的紋波，斬波頻率的奇數(shù)倍

斬波開關的電荷注入不匹配和有限放大器帶寬（斬波頻率的偶數(shù)倍）引起的毛刺

系統(tǒng)級注意事項

在數(shù)據(jù)采集解決方案中使用零漂移放大器時，了解頻率偽像的位置并相應地進行規(guī)劃非常重要。

在數(shù)據(jù)手冊中查找斬波頻率

斬波頻率通常在數(shù)據(jù)手冊中明確說明，但也可以通過查看噪聲頻譜圖來確定。ADI公司最新的幾個零漂移放大器數(shù)據(jù)手冊顯示了頻譜偽像中出現(xiàn)的位置。

ADA4528數(shù)據(jù)手冊不僅在數(shù)據(jù)手冊的應用信息部分明確指出了200 kHz的斬波頻率，而且在圖8的噪聲密度圖中也可以清楚地看到這一點。

圖8.ADA4528的噪聲密度圖。

在ADA4522數(shù)據(jù)手冊的工作原理部分，斬波頻率為4.8 MHz，失調(diào)和紋波校正環(huán)路的工作頻率為800 kHz。圖9顯示了ADA4522的噪聲密度，其中可見這些噪聲峰值。在單位增益下，由于環(huán)路的相位裕量減小，在6 MHz處也存在噪聲凸起，這并非零漂移放大器所獨有。

圖9.ADA4522的噪聲密度圖。

重要的是要記住，數(shù)據(jù)手冊中描述的頻率是一個典型數(shù)字，可能因器件而異。因此，如果系統(tǒng)需要兩個斬波放大器進行差分信號調(diào)理，請使用雙通道放大器，因為兩個單通道放大器的斬波頻率可能略有不同，可能會相互作用并導致額外的IMD。

匹配輸入源阻抗

瞬態(tài)電流毛刺與輸入源阻抗相互作用會導致差分電壓誤差，可能導致斬波頻率倍數(shù)處的額外偽影。圖10顯示了源電阻不匹配的ADA4522噪聲密度圖中的尖峰（下圖）。為了減輕這種潛在的誤差源，系統(tǒng)設計人員應確保斬波放大器的每個輸入都看到相同的阻抗（頂部）。

圖 10.ADA4522中具有匹配（頂部）和不匹配（底部）輸入源電阻的噪聲。

IMD 和混疊偽像

使用斬波放大器時，輸入信號可以與斬波頻率f混合砍，以在 f 處創(chuàng)建 IMD在± f砍， f在± 2樓砍， 2樓在± f砍, ...這些IMD產(chǎn)品可以出現(xiàn)在感興趣的波段中，特別是作為f在接近斬波頻率。要消除此問題，請選擇斬波頻率遠大于輸入信號帶寬的零漂移放大器，并確保頻率接近f的干擾源砍在此放大器級之前進行濾波。

使用ADC對放大器輸出進行采樣時，斬波偽像也可能混疊。圖11所示為ADC采樣時毛刺頻率混疊產(chǎn)生的IMD產(chǎn)品示例。這些IMD產(chǎn)品取決于毛刺和紋波幅度，并且可能因器件而異。設計信號鏈時，必須在ADC之前包括抗混疊濾波器，以降低該IMD。

圖 11.IMD的一個示例，其中ADC對毛刺進行采樣并在f處導致混疊樣本– 2樓砍.

過濾斬波偽影

在系統(tǒng)層面，處理這些高頻偽影的最有效方法是濾波。零漂移放大器和ADC之間的LPF可減少斬波偽影并避免混疊。因此，具有更高斬波頻率的放大器放寬了LPF的要求，并允許更寬的信號帶寬。

例如，圖13顯示了使用圖12所示的各種技術使用ADA4522緩解斬波偽影的影響：增加閉環(huán)增益、后濾波以及使用與反饋電阻并聯(lián)的電容。8

圖 13.ADA4522 NSD使用一階濾波器方法，如上圖所示：（L）增加增益會降低放大器的帶寬，從而濾除噪聲峰值，（R）使用RC濾波器。

根據(jù)系統(tǒng)需要多少帶外抑制，可能需要更高階的有源濾波器。ADI提供多種資源來幫助濾波器設計，包括多反饋濾波器教程和在線濾波器設計工具。

了解發(fā)生斬波偽影的頻率有助于創(chuàng)建所需的濾波器。表1顯示了由零漂移放大器引起的交流偽影的位置。

結(jié)論

通過了解零漂移放大器中的高頻偽像，系統(tǒng)設計人員可以更有信心將零漂移運算放大器用于更寬帶寬的應用。這些系統(tǒng)設計注意事項包括：

與零漂移放大器輸入端看到的源輸入阻抗相匹配

使用雙通道放大器進行差分信號調(diào)理

查找數(shù)據(jù)手冊噪聲頻譜中的偽影頻率

設計濾波器，以減少動態(tài)偏移減少技術引起的高頻偽影的影響

了解和規(guī)劃頻域中的高頻偽像