什么是零漂移放大器？
零漂移放大器可动态校正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，可实现 nV 级失调电压和极低的失调电压时间/温度漂移。放大器的1/f 噪声也视为直流误差，也可一并消除。零漂移放大器为设计师提供了很多好处：首先，温漂和 1/f 噪声在系统中始终起着干扰作用，很难以其它方式消除，其次，相对于标准的放大器，零漂移放大器具有较高的开环增益、电源抑制比和共模抑制比，另外，在相同的配置下，其总输出误差低于采用标准精密放大器的输出误差。
零漂移放大器适合哪些应用？
零漂移放大器适用于预期设计寿命 10 年以上的系统，以及使用高闭环增益 (>100) 和低频 (<100 Hz)、低幅度信号的信号链。应用示例包括精密电子秤、医疗仪器、精密计量设备和红外/电桥/热电堆传感器接口。
自稳零型放大器的工作原理
自稳零型放大器，如AD8538、AD8638、AD8551 和 AD8571系列，通常分两个时钟阶段校正输入失调。在时钟阶段A中，开关φA 闭合，开关φB 断开，如图 1 所示。指零放大器的失调电压经过测量后，储存在电容 CM1上。
在时钟阶段 B 中，开关φB 闭合，开关φA 断开，如图 2 所示。主放大器的失调电压经过测量后，储存在电容CM2上，同时，储存在电容CM1中的电压调节指零放大器的失调。进而，在处理输入信号时将总失调电压施加到主放大器上。
采样保持功能会将自稳零型放大器变为采样数据系统，使其容易发生混叠和折回效应。低频时，噪声变化缓慢，因此两个连续噪声采样相减可实现真正的抵消。高频时，这种相关性减弱，相减误差导致宽带成分折回基带。因此，自稳零型放大器的带内噪声高于标准运算放大器。为了减少低频噪声，必须提高采样频率，但这会引入额外的电荷注入。信号路径仅包括主放大器，因而可以获得相对较大的单位增益带宽。
斩波放大器的工作原理
图 3 显示斩波型放大器 ADA4051 的功能框图，它采用本地自动校正反馈 (ACFB) 环路。主信号路径包括输入斩波网络CHOP1、跨导放大器 Gm1、输出斩波网络 CHOP2 和跨导放大器Gm2。CHOP1 和CHOP2 将来自Gm 1 初始失调和1/f 噪声调制到斩波频率。跨导放大器 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。所有三个斩波网络的开关频率均为40 kHz。最后，跨导放大器Gm4 消除 Gm1 输出端的直流成分，否则，它会作为纹波出现在总输出中。开关电容陷波滤波器 (SCNF) 有选择地抑制不需要的失调相关纹波，但不会干扰总输出中的有用输入信号，它与斩波时钟同步，以便完全地滤除调制分量。
这两种技术可以结合使用吗？
ADI公司新系列放大器正是这样做的。图4所示的零漂移放大器AD8628同时使用自稳零和斩波技术来降低斩波频率时的能量，同时将低频噪声保持在非常低的水平。相对于传统零漂移放大器，这种技术组合可以实现更宽的带宽。
使用零漂移放大器时会遇到哪些应用问题？
零漂移放大器是利用数字电路动态校正模拟失调误差的复合放大器。数字开关动作会造成电荷注入、时钟馈通、交调失真和过载恢复时间延长，从而可能在设计不佳的模拟电路中引起问题。时钟馈通的幅度随着闭环增益或信号源阻抗增大而增大；在输出端增加一个滤波器，或者在同相输入端使用一个低值电阻，可以减小其影响。此外，输入频率越接近斩波频率，零漂移放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放大。自稳零型放大器的速度取决于增益带宽积，后者取决于主放大器，而不是零点校准放大器；自稳零频率指示何时开始出现开关伪像。
自稳零型与斩波型有何区别？
自稳零型通过采样校正失调，斩波型则采用调制和解调。采样会导致噪声折回基带，因此自稳零型放大器的带内噪声较大。为了抑制噪声，需要使用更大电流，因此其功耗一般较高。斩波型放大器具有与其平带噪声一致的低频噪声，但在斩波频率时会产生大量能量和谐波。可能需要进行输出滤波，因此这些放大器最适合低频应用。自稳零和斩波技术的典型噪声特性如图 5 所示。
何时用自稳零型放大器？何时用斩波型放大器？
斩波型放大器适合低功耗、低频应用(<100 Hz)，自稳零型放大器则更适合宽带应用。AD8628集自稳零和斩波两种技术于一体，堪称要求低噪声、无开关毛刺、宽带宽应用的理想之选。表1列出一些设计的利弊因素。
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 |
| 采样保持 | 调制/解调 | 采样保持, 调制/解调 |
| 混叠导致低频噪声较高 | 类似于平带噪声（无混叠） | 随频率分布的组合噪声 |
| 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 公司的哪些零漂移放大器最受欢迎？
表 2 列出了ADI 公司的一些代表性零漂移放大器。
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 | ||||
| AD8628 | AD8629 | AD8630 | 2.7 | 5.5 | • | • | 2.5 | 1 | 5 | 0.002 |
| AD8538 | AD8539 | 2.7 | 5.5 | • | • | 0.43 | 0.4 | 13 | 0.03 | |
| AD8638 | AD8639 | 4.5 | 16 | • | 1.35 | 2.5 | 9 | 0.01 | ||
| AD8551 | AD8552 | AD8554 | 2.7 | 5.5 | • | • | 1.5 | 0.4 | 5 | 0.005 |
| AD8571 | AD8572 | AD8574 | 2.7 | 5.5 | • | • | 1.5 | 0.4 | 5 | 0.005 |
| ADA4051-1 | ADA4051-2 | 1.8 | 5.5 | • | • | 0.115 | 0.04 | 15 | 0.02 | |
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/&radIC;Hz) | 每个放大器IS/最大值 (mA) | 拓扑结构 | ||
| 单路 | 双路 | 四路 | ||||||
| AD8628 | AD8629 | AD8630 | 120 | 115 | 125 | 22 | 1.1 | AZ, C |
| AD8538 | AD8539 | 115 | 105 | 115 | 50 | 0.18 | AZ | |
| AD8638 | AD8639 | 118 | 127 | 120 | 60 | 1.3 | AZ | |
| AD8551 | AD8552 | AD8554 | 120 | 120 | 125 | 42 | 0.975 | AZ |
| AD8571 | AD8572 | AD8574 | 120 | 120 | 125 | 51 | 0.975 | AZ |
| ADA4051-1 | ADA4051-2 | 105 | 110 | 106 | 95 | 0.017 | C | |
参考电路
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Bridge-Type Sensor Measurements Are Enhanced by Auto-Zeroed Instrumentation Amplifiers
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Demystifying Auto-Zero Amplifiers—Part 1
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