用于高精度電路中的零漂移放大器的基本架構(gòu)和應(yīng)用說明

因此，它尤為適用于高增益和高精密性能的信號調(diào)理電路中。例如，傳感器（比如溫度、壓力或稱重傳感器）一般產(chǎn)生低電平輸出電壓，因此需要一個放大器來放大信號，同時不應(yīng)引入更多誤差。零漂移放大器針對超低失調(diào)電壓和漂移、高共模抑制、高電源抑制以及更低的1/f噪聲而設(shè)計，是在高要求系統(tǒng)應(yīng)用中（比如檢測應(yīng)用）實現(xiàn)高分辨率的理想選擇，具有較長的產(chǎn)品生命周期。

零漂移放大器的基本架構(gòu)

圖1顯示了基本斬波放大器（單位增益配置）的電路圖。直流增益路徑包括輸入斬波開關(guān)網(wǎng)絡(luò)(CHOPIN)、第一跨導(dǎo)放大器(Gm1)、輸出斬波開關(guān)網(wǎng)絡(luò)(CHOPOUT)、第二跨導(dǎo)放大器(Gm2)和頻率補償電容（C1和C2）。CHOP和CHOP''''''''通過時鐘發(fā)生器和函數(shù)控制，可校正不希望出現(xiàn)的放大器直流失調(diào)電壓(VOS)。

圖2顯示了相關(guān)時序圖以及預(yù)期輸出電壓(VOUT)。當CHOP時鐘信號為高電平（A階段），放大器Gm1的差分輸入和輸出連接至信號路徑，并且無反轉(zhuǎn)。由于存在VOS，因此產(chǎn)生正輸出電壓VOUT。當CHOP''''''''時鐘信號為高電平（B階段），Gm1的輸入和輸出連接信號路徑且反轉(zhuǎn)，并由于VOS而產(chǎn)生負輸出電壓。來自Gm1的正負輸出電壓使輸出電壓等于±VOS。時域中的這種斬波概念類似于頻域中的調(diào)制。換言之，Gm1失調(diào)電壓由CHOPOUT向上調(diào)制到斬波頻率。另一方面，輸入信號經(jīng)由CHOPIN和CHOPOUT斬波兩次。這與向上調(diào)制然后向下調(diào)制到原始頻率的輸入信號相等。因此，進入輸出端的輸入信號不發(fā)生反轉(zhuǎn)。

正負輸出電壓（來自Gm1的±VOS）以電壓紋波的形式出現(xiàn)在VOUT（圖2）。此外，CHOP和CHOP''''''''時鐘通過開關(guān)相關(guān)的寄生電容耦合至差分輸入引腳。時鐘改變狀態(tài)后，電荷注入差分輸入引腳。這些注入的電荷經(jīng)由有限輸入源阻抗轉(zhuǎn)換為輸出電壓毛刺。毛刺的幅度和形狀取決于輸入源阻抗以及差分輸入引腳上注入電荷的數(shù)量和匹配程度。這些輸出紋波和毛刺會產(chǎn)生開關(guān)偽像，并在噪聲頻譜中的斬波頻率和其整數(shù)倍數(shù)頻率處出現(xiàn)增長。此外，每個零漂移放大器的開關(guān)偽像幅度和頻率各有不同，并且各元件之間也有所不同。本文中，術(shù)語"斬波"和"開關(guān)頻率"可以互換使用。

圖1. 斬波架構(gòu)

圖2. 斬波時序圖

數(shù)據(jù)手冊中的開關(guān)偽像

一般而言，零漂移放大器具有較大的寬帶噪聲和較低的開關(guān)頻率，范圍從幾千赫茲到幾十k赫茲。這限制了它們只能用于直流和低于100 Hz的應(yīng)用，以使開關(guān)頻率保持在目標信號帶寬外。對于要求在更高帶寬下具有高精度和低漂移的應(yīng)用，使用開關(guān)頻率較高的零漂移放大器很重要。事實上，開關(guān)頻率有時候可以看成零漂移放大器的品質(zhì)因數(shù)。較新的零漂移放大器采用高級設(shè)計架構(gòu)，針對在高很多的頻率下具有較小開關(guān)偽像而設(shè)計。例如，除了在4.8 MHz處對失調(diào)電壓進行斬波，高電壓、雙通道、零漂移放大器ADA4522-2還采用專利的失調(diào)和紋波校正環(huán)路，最大程度減少開關(guān)偽像。校正環(huán)路工作頻率為800 kHz，用于消除失調(diào)電壓±VOS（如圖2所示）。將±VOS下降至其初始值的1%能改善40 dB開關(guān)偽像。這樣可以減少系統(tǒng)設(shè)計人員實現(xiàn)系統(tǒng)級精度目標的工作量。

檢測開關(guān)偽像最簡單的方法是觀察放大器的電壓噪聲密度頻譜。圖3顯示了ADA4522-2折合到輸入的電壓噪聲密度圖。注意，通道B在其800 kHz開關(guān)頻率處表現(xiàn)出了噪聲頻譜的增加。正如前文所述，這種噪聲頻譜的增加是電荷注入失配產(chǎn)生的副作用。由于失配取決于器件對器件以及通道對通道，因此噪聲尖峰的幅度也有所不同，且并非所有器件都會表現(xiàn)出噪聲尖峰。例如，同一個器件的通道A在800 kHz開關(guān)頻率處并未表現(xiàn)出任何噪聲尖峰。各器件之間的開關(guān)頻率還可有10%到20%的差異，具體取決于片上時鐘振蕩器頻率的變化。

圖3. ADA4522-2電壓噪聲密度

不同零漂移放大器之間的噪聲對比