如何在更寬帶寬應(yīng)用中使用零漂移放大器

本文簡(jiǎn)短介紹了斬波、自穩(wěn)零和零漂移偽像來源，并概述了放大器設(shè)計(jì)人員可以用來降低其影響的一些技術(shù)。本文還闡釋了如何最大程度地減少精密信號(hào)鏈中這些殘余交流偽像的影響，包括匹配輸入源阻抗、濾波和頻率規(guī)劃。

簡(jiǎn)介

零漂移運(yùn)算放大器使用斬波、自穩(wěn)零或這兩種技術(shù)的結(jié)合來消除不需要的低頻誤差源，例如失調(diào)和1/f噪聲。傳統(tǒng)上，此類放大器僅用于低帶寬應(yīng)用中，因?yàn)檫@些技術(shù)在較高頻率時(shí)會(huì)產(chǎn)生偽像。只要系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)考慮了高頻誤差，例如紋波、毛刺和交調(diào)失真(IMD)等，較寬帶寬的解決方案也可以受益于零漂移運(yùn)算放大器的出色直流性能。

零漂移技術(shù)

斬波背景 1 – 7

第一種零漂移技術(shù)是斬波，它將誤差調(diào)制到較高頻率，從而將失調(diào)和低頻噪聲與信號(hào)內(nèi)容分離。

圖1顯示了(b)斬波如何將輸入信號(hào)（藍(lán)色波形）調(diào)制到方波，在放大器中處理該信號(hào)，然后(c)將輸出端信號(hào)解調(diào)回直流。與此同時(shí)，放大器中的低頻誤差（紅色波形）在(c)輸出端被調(diào)制到方波，然后(d)通過低通濾波器(LPF)濾波。

圖 1. 在 (a) 輸入、(b) V1、(c) V2 和 (d) VOUT 端的信號(hào)（藍(lán)色）和誤差（紅色）的時(shí)域波形

同樣，在頻域中，輸入信號(hào)（圖2中的藍(lán)色信號(hào)）被(b)調(diào)制到斬波頻率，在fCHOP由增益級(jí)處理，(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中的紅色信號(hào)）在DC頻率通過增益級(jí)處理，(c)由輸出斬波開關(guān)調(diào)制到fCHOP，最后(d)由LPF濾波。由于采用方波調(diào)制，因此調(diào)制發(fā)生在調(diào)制頻率的奇數(shù)倍附近。

圖 2. 在 (a) 輸入、(b) V1、(c) V2 和 (d) VOUT 端的信號(hào)（藍(lán)色）和誤差（紅色）的頻域頻譜

從頻域和時(shí)域圖中均可看出，由于LPF不是理想的磚墻濾波器，因此調(diào)制噪聲和失調(diào)會(huì)造成一定的殘留誤差。

自穩(wěn)零背景 1 – 3, 5 – 7

第二種零漂移技術(shù)——自穩(wěn)零——也是一種動(dòng)態(tài)校正技術(shù)，其工作原理是采樣并消除放大器中的低頻誤差源。

圖3顯示了基本自穩(wěn)零放大器的例子。它由具有失調(diào)和噪聲的放大器、重新配置輸入和輸出的開關(guān)以及自穩(wěn)零采樣電容組成。

圖 3. 基本自穩(wěn)零放大器

在自穩(wěn)零階段(?1)，電路的輸入短接到一個(gè)公共電壓，自穩(wěn)零電容對(duì)輸入失調(diào)電壓和噪聲進(jìn)行采樣。請(qǐng)注意，在此階段，放大器無法用于信號(hào)放大。為使自穩(wěn)零放大器以連續(xù)方式運(yùn)行，必須讓兩個(gè)相同通道交錯(cuò)。這稱為乒乓式自穩(wěn)零。

在放大階段(?2)，輸入連接回信號(hào)路徑，放大器又可用于放大信號(hào)。低頻噪聲、失調(diào)和漂移通過自穩(wěn)零來消除，剩余的誤差為誤差的當(dāng)前值與前一樣本之差。由于低頻誤差源從?1到?2變化不大，因此這種減法效果很好。另一方面，高頻噪聲混疊到基帶，導(dǎo)致本底白噪聲提高，如圖4所示。

由于噪聲折疊以及需要額外通道以支持連續(xù)工作，因此對(duì)于獨(dú)立的運(yùn)算放大器，斬波可能是更有效的零漂移技術(shù)2。

斬波偽像 1 – 3, 5 – 7

盡管斬波可以很好地消除不需要的失調(diào)、漂移和1/f噪聲，但它會(huì)產(chǎn)生不必要的交流偽像，例如輸出紋波和毛刺。ADI公司最近的零漂移產(chǎn)品已采取措施來減小這些偽像，并使其位于較高頻率，使得系統(tǒng)級(jí)濾波更容易。

紋波偽像

斬波調(diào)制技術(shù)將低頻誤差移至斬波頻率的奇數(shù)次諧波，因此紋波是這種技術(shù)的后果。放大器設(shè)計(jì)人員采用許多方法來降低紋波的影響，包括：

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

斬波和自穩(wěn)零結(jié)合：放大器先自穩(wěn)零，然后執(zhí)行斬波，以將提高的噪聲譜密度(NSD)上調(diào)制到更高頻率。圖4顯示了斬波和自穩(wěn)零后得到的噪聲頻譜。

圖 4. 噪聲 PSD：斬波或自穩(wěn)零之前，自穩(wěn)零之后，斬波之后，斬波和自穩(wěn)零之后

自動(dòng)校正反饋(ACFB)：可以使用本地反饋環(huán)路來檢測(cè)輸出端的調(diào)制紋波，并在其來源處消除低頻誤差。

毛刺偽像

毛刺是由斬波開關(guān)的電荷注入不匹配引起的瞬態(tài)尖峰。此類毛刺的幅度取決于許多因素，包括源阻抗和電荷不匹配量1。毛刺尖峰不僅會(huì)在斬波頻率的偶數(shù)次諧波處引起偽像，而且會(huì)產(chǎn)生與斬波頻率成比例的殘余直流失調(diào)。圖5（左）顯示了這些尖峰在圖1中的V1（斬波開關(guān)內(nèi)部）和V2（輸出斬波開關(guān)之后）處的外觀。在斬波頻率的偶數(shù)次諧波處的額外毛刺偽像是由有限放大器帶寬引起的，如圖5（右）所示。

圖 5.（左）圖 1 中的 V1（斬波開關(guān)內(nèi)部）和 V2（斬波開關(guān)外部）處的電荷注入導(dǎo)致的毛刺電壓；（右）圖 1 中 V1 和 V2 處的有限放大器帶寬引起的毛刺

與紋波一樣，放大器設(shè)計(jì)人員也有降低零漂移放大器中的毛刺影響的技術(shù)：

電荷注入微調(diào)：可以將可調(diào)整電荷注入斬波放大器的輸入端，以補(bǔ)償電荷不匹配，從而減少運(yùn)算放大器輸入端的輸入電流量。

多通道斬波：這不僅減小了毛刺幅度，而且還將其移至更高頻率，使濾波更加容易。與簡(jiǎn)單地在更高頻率執(zhí)行斬波相比，該技術(shù)導(dǎo)致毛刺更頻繁，但幅度較小。圖6將典型的零漂移放大器與 ADA4522進(jìn)行了比較，后者使用該技術(shù)顯著降低了毛刺的影響。

圖 6. ADA4522 中的電壓尖峰降低到本底噪聲8

圖 7. 斬波器放大器偽像，包括上調(diào)制紋波和電荷注入毛刺

總結(jié)一下，圖7顯示了斬波放大器的輸出電壓，其中包含：

紋波，由斬波頻率奇數(shù)倍處的上調(diào)制失調(diào)和1/f噪聲引起

毛刺，由斬波開關(guān)的電荷注入不匹配和有限放大器帶寬在斬波頻率的偶數(shù)倍處引起

系統(tǒng)級(jí)考慮因素

在數(shù)據(jù)采集解決方案中使用零漂移放大器時(shí)，務(wù)必了解頻率偽像的位置并作出相應(yīng)的規(guī)劃。

在數(shù)據(jù)手冊(cè)中查找斬波頻率

數(shù)據(jù)手冊(cè)通常會(huì)明確說明斬波頻率，但通過查看噪聲頻譜圖也可以確定斬波頻率。ADI公司最新的幾款零漂移放大器的數(shù)據(jù)手冊(cè)顯示了偽像在頻譜中發(fā)生的位置。

ADA4528 數(shù)據(jù)手冊(cè)不僅在“應(yīng)用信息”部分明確說明了200 kHz的斬波頻率，而且這也可以在圖8所示噪聲密度曲線中清楚地看出。

圖 8. ADA4528 的噪聲密度曲線

在ADA4522數(shù)據(jù)手冊(cè)的“工作原理”部分中，斬波頻率為4.8 MHz，失調(diào)和紋波校正環(huán)路工作在800 kHz。圖9顯示了ADA4522的噪聲密度，其中可以看到這些噪聲峰值。在單位增益時(shí)，由于環(huán)路的相位裕量較低，在6 MHz處也有一個(gè)噪聲凸起，這不是零漂移放大器所獨(dú)有的。

圖 9. ADA4522 的噪聲密度曲線

務(wù)必記住，數(shù)據(jù)手冊(cè)中描述的頻率是一個(gè)典型數(shù)值，可能因器件而異。因此，如果系統(tǒng)需要兩個(gè)斬波放大器進(jìn)行差分信號(hào)調(diào)理，請(qǐng)使用雙通道放大器，因?yàn)閮蓚€(gè)單通道放大器在斬波頻率方面可能略有不同，因而可能相互作用并引起額外的IMD。

匹配輸入源阻抗

與輸入源阻抗相互作用的瞬態(tài)電流毛刺可能會(huì)導(dǎo)致差分電壓誤差，從而可能在斬波頻率的倍數(shù)處產(chǎn)生額外的偽像。圖10顯示了ADA4522在源電阻不匹配情況下的噪聲密度曲線（底部）。為了解決這一潛在的誤差源，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員應(yīng)確保斬波放大器的每個(gè)輸入看到的阻抗相同（頂部）。

圖 10. ADA4522 中的噪聲：輸入源電阻匹配（頂部）和不匹配（底部）

IMD和混疊偽像

使用斬波放大器時(shí)，輸入信號(hào)可能與斬波頻率fCHOP混頻，從而在fIN ± fCHOP、fIN ± 2fCHOP、2fIN ± fCHOP…處產(chǎn)生IMD。這些IMD產(chǎn)物可能出現(xiàn)在目標(biāo)頻段中，尤其是當(dāng)fIN接近斬波頻率時(shí)。為了消除此問題，請(qǐng)選擇斬波頻率遠(yuǎn)大于輸入信號(hào)帶寬的零漂移放大器，并確保在此放大器級(jí)之前濾除頻率接近fCHOP的干擾信號(hào)。

使用ADC對(duì)放大器輸出進(jìn)行采樣時(shí)，斬波偽像也可能發(fā)生混疊。圖11顯示了ADC采樣時(shí)毛刺頻率混疊產(chǎn)生的IMD產(chǎn)物示例。這些IMD產(chǎn)物依賴于毛刺和紋波幅度，并且可能因器件而異。設(shè)計(jì)信號(hào)鏈時(shí)，有必要在ADC之前使用抗混疊濾波器以減少此IMD。

圖 11. IMD 的一個(gè)示例，其中 ADC 對(duì)毛刺采樣，并在 fSAMPLE – 2fCHOP 處引起混疊。

斬波偽像濾波

在系統(tǒng)層次上，處理這些高頻偽像的最有效辦法是濾波。零漂移放大器和ADC之間的LPF減少了斬波偽像，并避免了混疊。因此，具有更高斬波頻率的放大器可放寬對(duì)LPF的要求，并支持更寬的信號(hào)帶寬。

例如，圖13顯示了ADA4522使用圖12所示不同技術(shù)來減輕斬波偽像的效果：提高閉環(huán)增益，后置濾波，以及并聯(lián)使用電容和反饋電阻8。

圖 12. 濾除偽像的放大器配置

圖 13. ADA4522 NSD，使用頂部顯示的一階濾波器方法：（左）提高增益會(huì)降低放大器帶寬，濾波器濾除噪聲尖峰；（右）使用 RC 濾波器。

根據(jù)系統(tǒng)對(duì)頻帶抑制的需求，可能需要一個(gè)更高階有源濾波器。ADI公司有許多資源可幫助設(shè)計(jì)濾波器，包括 多重反饋濾波器教程 和 在線濾波器設(shè)計(jì)工具。

了解斬波偽像發(fā)生的頻率可以幫助創(chuàng)建所需的濾波器。表1列出了零漂移放大器引起的交流偽像的位置。

表1. 交流斬波偽像位置小結(jié)

結(jié)論

通過了解零漂移放大器中的高頻偽像，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以更有信心地將零漂移放大器用于更寬帶寬的應(yīng)用。系統(tǒng)設(shè)計(jì)考量因素包括：

●   零漂移放大器輸入端的源輸入阻抗應(yīng)匹配

●   使用雙通道放大器進(jìn)行差分信號(hào)調(diào)理

●   在數(shù)據(jù)手冊(cè)噪聲頻譜中找到偽像的頻率

●   設(shè)計(jì)濾波器以降低動(dòng)態(tài)降失調(diào)技術(shù)所引起的高頻偽像的影響

●   了解頻域中的高頻偽像并作出合理規(guī)劃

參考電路

1Yoshinori Kusuda。 “減少斬波放大器中的開關(guān)偽像”。荷蘭代爾夫特理工大學(xué)，2018年5月。

2Christian Enz和Gabor C. Temes。 “用于降低運(yùn)算放大器缺陷影響的電路技術(shù)：自穩(wěn)零、相關(guān)雙采樣和斬波穩(wěn)定”。IEEE論文集，第84卷第11期，1996年11月。

3Boris Murmann。 EE315A：VLSI信號(hào)調(diào)理電路：第7章，精密模擬電路技術(shù)。斯坦福大學(xué)，2014。

4James Bryant。 “乘法器與調(diào)制器” ?！赌M對(duì)話》，第47卷，2013年6月。

5A. T. K. Tang?！巴瑫r(shí)采用斬波和自穩(wěn)零技術(shù)的3/spl mu/V失調(diào)運(yùn)算放大器在DC時(shí)具有20nV//spl radic/ Hz輸入噪聲PSD”。IEEE，2002年2月。

6Michiel Pertijs和Wilko J. Kindt?！安捎闷古沂阶苑€(wěn)零和斬波技術(shù)的140 dB-CMRR電流反饋儀表放大器” 。IEEE固態(tài)電路雜志，第45卷第10期，2010年10月。

7Johan F. Witte、Kofi A. A. Makinwa和Johan H. Huijsing?！癈MOS斬波器失調(diào)穩(wěn)定的運(yùn)算放大器”。 IEEE固態(tài)電路雜志，第42卷第7期，2007年7月。

8Yoshinori Kusuda和Vicky Wong?！傲闫品糯笃鳎含F(xiàn)可輕松用于高精度電路中”。模擬對(duì)話，第49卷，2015年7月。

ADA4523數(shù)據(jù)手冊(cè)。ADI公司，2020年4月。

AD7768-1數(shù)據(jù)手冊(cè)。ADI公司，2019年5月。

Kusuda, Yoshinori。 “斬波運(yùn)算放大器中輸入電流噪聲和偶次諧波折疊效應(yīng)的分析”。 模擬對(duì)話，第53卷，2019年5月

來源：ADI

作者：Simon Basilico