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ADI:使用工程师答问— 39 零漂移运算放大器

文章转自ADI官网,版权归属原作者所有 什么是零漂移放大器?零漂移放大器可动态校正其失

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什么是零漂移扩大器?

零漂移扩大器可动态校对其失调电压并重整其噪声密度。自稳零型和斩波型是两种常用类型,可完成 nV 级失调电压和极低的失调电压时刻/温度漂移。扩大器的1/f 噪声也视为直流差错,也可一起消除。零漂移扩大器为规划师供给了许多优点:首要,温漂和 1/f 噪声在体系中一直起着搅扰效果,很难以其它方法消除,其次,相对于规范的扩大器,零漂移扩大器具有较高的开环增益、电源按捺比和共模按捺比,别的,在相同的装备下,其总输出差错低于选用规范精细扩大器的输出差错。

零漂移扩大器合适哪些运用?

零漂移扩大器适用于预期规划寿数 10 年以上的体系,以及运用高闭环增益 (>100) 和低频 (<100 Hz)、低起伏信号的信号链。运用示例包含精细电子秤、医疗仪器、精细计量设备和红外/电桥/热电堆传感器接口。

自稳零型扩大器的作业原理

自稳零型扩大器,如AD8538、AD8638、AD8551 和 AD8571系列,一般分两个时钟阶段校对输入失调。在时钟阶段A中,开关φA 闭合,开关φB 断开,如图 1 所示。指零扩大器的失调电压经过丈量后,储存在电容 CM1上。

Figure 1
图1. 自稳零型扩大器的阶段A:零点校准阶段

在时钟阶段 B 中,开关φB 闭合,开关φA 断开,如图 2 所示。主扩大器的失调电压经过丈量后,储存在电容CM2上,一起,储存在电容CM1中的电压调理指零扩大器的失调。然后,在处理输入信号时将总失调电压施加到主扩大器上。

Figure 2
图 2. 自稳零型扩大器的阶段 B:自稳零阶段

采样坚持功用会将自稳零型扩大器变为采样数据体系,使其容易发生混叠和折回效应。低频时,噪声改变缓慢,因而两个接连噪声采样相减可完成真实的抵消。高频时,这种相关性削弱,相减差错导致宽带成分折回基带。因而,自稳零型扩大器的带内噪声高于规范运算扩大器。为了削减低频噪声,有必要进步采样频率,但这会引进额定的电荷注入。信号途径仅包含主扩大器,因而能够获得相对较大的单位增益带宽。

斩波扩大器的作业原理

图 3 显现斩波型扩大器 ADA4051 的功用框图,它选用本地主动校对反应 (ACFB) 环路。主信号途径包含输入斩波网络CHOP1、跨导扩大器 Gm1、输出斩波网络 CHOP2 和跨导扩大器Gm2。CHOP1 和CHOP2 将来自Gm 1 初始失谐和1/f 噪声调制到斩波频率。跨导扩大器 Gm3 检测 CHOP2 输出端的调制纹波,斩波网络 CHOP3 将该纹波解调回 DC。一切三个斩波网络的开关频率均为40 kHz。最终,跨导扩大器Gm4 消除 Gm1 输出端的直流成分,不然,它会作为纹波呈现在总输出中。开关电容陷波滤波器 (SCNF) 有挑选地按捺不需求的失调相关纹波,但不会搅扰总输出中的有用输入信号,它与斩波时钟同步,以便彻底地滤除调制重量。

Figure 3
图3. ADA4051 所用斩波计划

这两种技能能够结合运用吗?

ADI公司新系列扩大器正是这样做的。图4所示的零漂移扩大器AD8628一起运用自稳零和斩波技能来下降斩波频率时的能量,一起将低频噪声坚持在十分低的水平。相对于传统零漂移扩大器,这种技能组合能够完成更宽的带宽。

Figure 4
图 4. AD8628 集自稳零和斩波于一体,可完成更宽的带宽

运用零漂移扩大器时会遇到哪些运用问题?

零漂移扩大器是运用数字电路动态校对模仿失调差错的复合扩大器。数字开关动作会形成电荷注入、时钟馈通、交调失真和过载恢复时刻延伸,然后或许在规划欠安的模仿电路中引起问题。时钟馈通的起伏跟着闭环增益或信号源阻抗增大而增大;在输出端添加一个滤波器,或许在同相输入端运用一个低值电阻,能够减小其影响。此外,输入频率越挨近斩波频率,零漂移扩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扩大。自稳零型扩大器的速度取决于增益带宽积,后者取决于主扩大器,而不是零点校准扩大器;自稳零频率指示何时开端呈现开关伪像。

自稳零型与斩波型有何差异?

自稳零型经过采样校对失调,斩波型则选用调制和解调。采样会导致噪声折回基带,因而自稳零型扩大器的带内噪声较大。为了按捺噪声,需求运用更大电流,因而其功耗一般较高。斩波型扩大器具有与其平带噪声共同的低频噪声,但在斩波频率时会发生很多能量和谐波。或许需求进行输出滤波,因而这些扩大器最合适低频运用。自稳零和斩波技能的典型噪声特性如图 5 所示。

Figure 5
图5. 各种扩大器结构的典型噪声与频率的联系

何时用自稳零型扩大器?何时用斩波型扩大器?

斩波型扩大器合适低功耗、低频运用(<100 Hz),自稳零型扩大器则更合适宽带运用。AD8628集自稳零和斩波两种技能于一体,可谓要求低噪声、无开关毛刺、宽带宽运用的抱负之选。表1列出一些规划的利害要素。

表1

自稳零型斩波稳定型斩波稳定型+ 自稳零型
极低失调, TCVOS极低失调, TCVOS极低失调, TCVOS
采样坚持调制/解调采样坚持, 调制/解调
混叠导致低频噪声较高类似于平带噪声(无混叠)随频率散布的组合噪声
功耗较高功耗较低功耗较高
宽带宽窄带宽带宽最宽
纹波最小纹波最大纹波水平低于斩波型
在自稳零频率上的能量很小在斩波频率上能量很大在自稳零频率上的能量很小

ADI 公司的哪些零漂移扩大器最受欢迎?

表 2 列出了ADI 公司的一些代表性零漂移扩大器。

表2

产品型号电源电压轨到轨最小值时带宽 (MHz)压摆率 (V/μs)Vos 最大值 (μV)TCVOS 典型值 (μV/°C)
单路双路四路最小值 最大值 输入 输出
AD8628AD8629AD86302.75.52.5150.002
AD8538AD85392.75.50.430.4130.03
AD8638AD8639 4.5161.352.590.01
AD8551AD8552AD85542.75.51.50.450.005
AD8571AD8572AD85742.75.51.50.450.005
ADA4051-1ADA4051-2 1.85.5• 0.1150.04150.02

表2

产品型号CMRR 最小值 (dB)PSRR 最小值 (dB)AVOL 最小值 (dB)1 kHz时噪声 (nV/√Hz)每个扩大器IS/最大值 (mA)拓扑结构 
单路双路四路
AD8628AD8629AD8630120115125 221.1AZ, C
AD8538AD8539115105115500.18AZ
AD8638AD8639 118 127120601.3AZ
AD8551AD8552AD8554120120125420.975AZ
AD8571AD8572AD8574120120125510.975AZ
ADA4051-1ADA4051-2 105110106950.017C

参阅电路

  1. Bridge-Type Sensor Measurements Are Enhanced by Auto-Zeroed Instrumentation Amplifiers

  2. Demystifying Auto-Zero Amplifiers—Part 1

  3. Demystifying Auto-Zero Amplifiers—Part 2

  4. MT-055 Tutorial, Chopper Stabilized (Auto-Zero) Precision Op Amps
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