自動(dòng)歸零運(yùn)算放大器在攜式訊號(hào)調(diào)理中的應(yīng)用

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(jì)六十年代。斬波放大器的發(fā)明主要是用來滿足對(duì)超低偏置和低漂移運(yùn)算放大器的需求，這種放大器比當(dāng)時(shí)的雙極運(yùn)算放大器優(yōu)異。在當(dāng)初的斬波放大器中，放大器的輸入和輸出為開關(guān)(或斷續(xù))式，輸入訊號(hào)被調(diào)變，目的是補(bǔ)償偏置誤差，而在輸出端則無調(diào)變。這種技術(shù)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(hào)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(duì)這些紋波進(jìn)行平滑濾波。

后來，對(duì)斬波放大器進(jìn)行改進(jìn)，透過自校準(zhǔn)形成了一種穩(wěn)定斬波的運(yùn)算放大器。這種架構(gòu)中采用了兩個(gè)放大器，即一個(gè)主放大器、一個(gè)零點(diǎn)放大器，如圖1所示。零點(diǎn)放大器透過將輸入短路到地并施加一個(gè)校準(zhǔn)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(zhǔn)主放大器的偏置。相對(duì)于老式斬波放大器，這種結(jié)構(gòu)具有一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)橹鞣糯笃骺梢允冀K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(hào)的頻寬。因此，輸入頻寬不再依賴斬波頻率。但來自開關(guān)動(dòng)作的電荷注入仍然是一個(gè)問題，將會(huì)引起瞬變并與輸入訊號(hào)耦合，因而引起互調(diào)失真。

圖1：簡化的穩(wěn)定式斬波功能架構(gòu)圖。

自動(dòng)歸零結(jié)構(gòu)在概念上類似于分別具有一個(gè)調(diào)零放大器和一個(gè)主放大器的穩(wěn)定斬波放大器。不過，相對(duì)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(jìn)。各制造商采用不同的術(shù)語來定義這種結(jié)構(gòu)，如‘自動(dòng)歸零’，‘自校準(zhǔn)調(diào)零’以及‘零漂移’等。無論術(shù)語上怎么叫，背后的基本概念都是一樣的。

自動(dòng)歸零結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)

如上所述，自動(dòng)歸零結(jié)構(gòu)不斷對(duì)放大器的失調(diào)電壓誤差進(jìn)行自校準(zhǔn)。相對(duì)于傳統(tǒng)的放大器，這造就了以下幾個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)。

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(duì)主放大器施加一個(gè)校正系數(shù)。校正的頻率與實(shí)際設(shè)計(jì)有關(guān)，但通常每秒有幾千次。例如，Microchip 的MCP6V01自動(dòng)歸零放大器，每隔100 μs對(duì)主放大器校準(zhǔn)一次，或者說每秒10,000次。由于連續(xù)不斷的校準(zhǔn)，使得失調(diào)電壓比傳統(tǒng)運(yùn)算放大器低許多。此外，校準(zhǔn)偏移電壓的過程中也對(duì)其他的直流指標(biāo)進(jìn)行了校準(zhǔn)，例如電源抑制和共模抑制。因此，自動(dòng)歸零放大器還能實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)放大器更好的抑制性能。

低溫度和時(shí)間漂移：所有放大器，無論采用什么制程技術(shù)和結(jié)構(gòu)，其失調(diào)電壓都會(huì)隨溫度和時(shí)間而變化。絕大多數(shù)運(yùn)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(duì)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(duì)于高精密度應(yīng)用來說是一個(gè)嚴(yán)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(zhǔn)技術(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)。

除了溫度漂移外，放大器的失調(diào)電壓還會(huì)隨著時(shí)間而變化。對(duì)于傳統(tǒng)的運(yùn)算放大器，該時(shí)間漂移(有時(shí)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(huì)產(chǎn)生很大的誤差。

由于對(duì)漂移電壓進(jìn)行連續(xù)不斷的自校準(zhǔn)，自動(dòng)歸零結(jié)構(gòu)從本質(zhì)上將溫度漂移和時(shí)間漂移降到最小。于是，自動(dòng)歸零放大器可以實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)運(yùn)算放大器高得多的漂移性能。例如， MCP6V01運(yùn)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(dǎo)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?yàn)閬碜云渌肼曉吹陌自肼晫㈤_始處于主導(dǎo)地位。如果輸入訊號(hào)接近直流，如來自應(yīng)力計(jì)、壓力傳感器和熱電偶的輸出訊號(hào)，則此時(shí)該低頻噪聲則是一個(gè)很大的問題。

在采用自動(dòng)歸零放大器中，作為漂移校準(zhǔn)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(dòng)相對(duì)較慢，因此它表現(xiàn)為放大器漂移的一部份并被補(bǔ)償?shù)簟?

低偏移電流：偏移電流乃流入放大器輸入端并使輸入晶體管產(chǎn)生偏移的電流。該電流的幅度變化范圍從微安到微微安，且與放大器的輸入電路密切相關(guān)。該參數(shù)在放大器的輸入連接高阻傳感器時(shí)非常重要。由于該偏移電流流入高阻，在阻抗上產(chǎn)生電壓降，因而導(dǎo)致電壓誤差。對(duì)于這些應(yīng)用，需要考慮低偏移電流。

事實(shí)上如今市場上的所有歸零放大器的輸入級(jí)采用的都是CMOS，因而偏移電流非常小。但是，來自內(nèi)部開關(guān)的電流注入能夠?qū)е卤葌鹘y(tǒng)的CMOS輸入運(yùn)算放大器略為高一點(diǎn)的偏移電流。

靜態(tài)電流：對(duì)于電池供電的應(yīng)用，靜態(tài)電流是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。由于調(diào)零放大器和其它電路需要支持自校準(zhǔn)自動(dòng)歸零結(jié)構(gòu)，對(duì)于特定的頻寬和壓擺率，自動(dòng)歸零放大器通常消耗的靜態(tài)電流比傳統(tǒng)放大器要大。但在增加該結(jié)構(gòu)的效率方面得到了很大的改善。某些運(yùn)算放大器，例如Microchip的MCP6V03，為了減少組件待機(jī)時(shí)的靜態(tài)電流，提供一個(gè)片選或切斷接腳。[next]

應(yīng)用實(shí)例：可攜式袖珍天平

上面指出了自動(dòng)歸零放大器有助于提高放大器性能的幾個(gè)參數(shù)。這里將討論使用應(yīng)力計(jì)的應(yīng)用實(shí)例，強(qiáng)調(diào)一下自動(dòng)歸零放大器的一些優(yōu)點(diǎn)。

可攜式天平是一個(gè)特殊的設(shè)備，用來秤量一些小物品，例如貴金屬，珠寶以及藥物。這些設(shè)備采用電池供電，通常需要的精密度高達(dá)十分之一克。因此，該應(yīng)用需要高精密度、用于秤重應(yīng)力計(jì)的低功率訊號(hào)調(diào)理。

在應(yīng)力計(jì)中用電阻對(duì)外力引起的應(yīng)力量進(jìn)行量化。有幾種不同類型的應(yīng)力計(jì)，但最常見的是金屬應(yīng)力計(jì)。這類應(yīng)力計(jì)由一根金屬線或一片金屬箔構(gòu)成。當(dāng)有力作用時(shí)，應(yīng)力計(jì)的應(yīng)力改變(或正或負(fù))，因而導(dǎo)致應(yīng)力計(jì)的電阻的變化。透過測量電阻的變化，來確定所加應(yīng)力的量。通常，應(yīng)力計(jì)的結(jié)構(gòu)都是惠斯頓橋型，因?yàn)檫@種電路結(jié)構(gòu)能夠提供極高的靈敏度。由于電阻值的變化較小，故這種惠斯頓橋電路的總輸出電壓也比較小。例如，我們可以假設(shè)滿量程輸出為10mV。

圖2是一個(gè)用于應(yīng)用分析的簡化電路。請(qǐng)注意，該電路并非用于完整的表征，而是被簡化來顯現(xiàn)自動(dòng)歸零結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。例如，惠斯頓橋電路的輸出應(yīng)該被緩沖以提供高輸入阻抗，但在簡化電路中就沒有繪出。在該電路中，放大器的差分增益為500，這樣，來自惠斯頓橋的滿量程輸出將會(huì)使得放大器輸出達(dá)到5V。

圖2：利用自動(dòng)歸零放大器的應(yīng)用簡化電路圖。

由于在該應(yīng)用中需要高增益，放大器的偏移電壓降變得至關(guān)重要。任何電壓偏移都將被放大器的高增益放大。例如，MCP606是一個(gè)用來實(shí)現(xiàn)用于修正輸入偏移電壓的非揮發(fā)性內(nèi)存的CMOS運(yùn)算放大器，其室溫下的最大偏移為250 μV。如果用在該應(yīng)用中，其最大偏移誤差將使得放大器輸出的誤差高達(dá)125mV，或者說滿量程的2.5%。但如果使用MCP6V01自動(dòng)歸零放大器，其室溫下最大偏移僅為2 μV。則放大器輸出的最大誤差僅為1mV，即只有滿量程的0.02%。

如上所述，自動(dòng)歸零結(jié)構(gòu)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是其低時(shí)間漂移和溫度漂移。例如，假定該可攜式秤重天平的工作溫度范圍為0℃到50℃。MCP606的溫度漂移為1.8 μV/℃。由溫度變化所產(chǎn)生的誤差可高達(dá)90 μV，再經(jīng)過放大器增益的放大，在放大器輸出中又將產(chǎn)生45mV的誤差。而MCP6V01，最大的溫度漂移僅為50 nV/℃。故其引起的放大器輸出中的偏移誤差僅為1.25 mV，該性能比MCP606放大器高30倍。

如上所述，1/f是低頻應(yīng)用的一個(gè)限制因素，例如這里所討論的秤重天平。MCP606運(yùn)算放大器的1/f噪聲訊譜角頻率一般為200Hz。在這點(diǎn)上1/f噪聲開始占據(jù)主導(dǎo)地位，在1Hz以下，所導(dǎo)致的電壓-噪聲密度高達(dá)200 nV/Hz。而對(duì)于MCP6V01運(yùn)算放大器，由于具有自動(dòng)歸零校正結(jié)構(gòu)，就沒有1/f噪聲，因而在低頻段保持恒定。對(duì)于秤重天平應(yīng)用，由于負(fù)載單元輸出是一個(gè)變化很慢的訊號(hào)，故此時(shí)1/f是一個(gè)非常關(guān)鍵的因素。

本文小結(jié)

雖然如今的自動(dòng)歸零結(jié)構(gòu)概念上可以回溯到早期的斬波放大器，但相對(duì)于早期的產(chǎn)品已經(jīng)得到了極大的改進(jìn)。老式的斬波放大器有許多能導(dǎo)致很大系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)問題的缺點(diǎn)。而新型的自動(dòng)歸零結(jié)構(gòu)要好用得多，并提供好得多的性能。如上述的應(yīng)用實(shí)例中，自動(dòng)歸零結(jié)構(gòu)在這類高精密度的應(yīng)用中可以提供比傳統(tǒng)的運(yùn)算放大器好得多的性能。