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自動歸零運算放大器在可攜式設備訊號調理中的應用

上網時間: 2009年01月07日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:運算放大器  自動歸零  訊號調理 

斬波式放大器已經使用幾十年了,其歷史可追溯到上世紀六十年代。斬波放大器的發明主要是用來滿足對超低偏置和低漂移運算放大器的需求,這種放大器比當時的雙極運算放大器優異。在當初的斬波放大器中,放大器的輸入和輸出為開關(或斷續)式,輸入訊號被調變,目的是補償偏置誤差,而在輸出端則無調變。這種技術雖然解決了低失調電壓和低漂移問題,但也存在其他約束。由於到放大器的輸入被採樣,輸入訊號的頻率必須低於斬波頻率的一半,目的是為了防止混疊。除了頻寬的約束外,斬波還引起許多較大的干擾,故需在輸出端對這些紋波進行平滑濾波。

後來,對斬波放大器進行改進,透過自校準形成了一種穩定斬波的運算放大器。這種架構中採用了兩個放大器,即一個主放大器、一個零點放大器,如圖1所示。零點放大器透過將輸入短路到地並施加一個校準係數到其調零端來校正自己的偏置誤差,然後來監視並校準主放大器的偏置。相對於老式斬波放大器,這種結構具有一個很大的優點,因為主放大器可以始終連接到IC的輸入和輸出。於是主放大器的頻寬決定輸入訊號的頻寬。因此,輸入頻寬不再依賴斬波頻率。但來自開關動作的電荷注入仍然是一個問題,將會引起瞬變並與輸入訊號耦合,因而引起互調失真。

圖1:簡化的穩定式斬波功能架構圖。
圖1:簡化的穩定式斬波功能架構圖。

自動歸零結構在概念上類似於分別具有一個調零放大器和一個主放大器的穩定斬波放大器。不過,相對於穩定斬波放大器,在降低雜訊,電荷注入乃至其他性能方面,後來都取得了很大的改進。各製造商採用不同的術語來定義這種結構,如‘自動歸零’,‘自校準調零’以及‘零漂移’等。無論術語上怎麼叫,背後的基本概念都是一樣的。

自動歸零結構的優點

如上所述,自動歸零結構不斷對放大器的失調電壓誤差進行自校準。相對於傳統的放大器,這造就了以下幾個顯著的優點。

低失調電壓:由於調零放大器不斷地消除其自身的失調電壓,並隨後對主放大器施加一個校正係數。校正的頻率與實際設計有關,但通常每秒有幾千次。例如,Microchip 的MCP6V01自動歸零放大器,每隔100 μs對主放大器校準一次,或者說每秒10,000次。由於連續不斷的校準,使得失調電壓比傳統運算放大器低許多。此外,校準偏移電壓的過程中也對其他的直流指標進行了校準,例如電源抑制和共模抑制。因此,自動歸零放大器還能實現比傳統放大器更好的抑制性能。

低溫度和時間漂移:所有放大器,無論採用什麼製程技術和結構,其失調電壓都會隨溫度和時間而變化。絕大多數運算放大器都採用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,但對於傳統的放大器,通常每度變化為幾微伏到幾十微伏。該溫度漂移對於高精密度應用來說是一個嚴重的問題,與初始漂移誤差不一樣,該漂移無法利用一次性系統校準技術進行校準。

除了溫度漂移外,放大器的失調電壓還會隨著時間而變化。對於傳統的運算放大器,該時間漂移(有時稱作為老化)通常在數據頁中沒有指明,不過隨著元件的老化也會產生很大的誤差。

由於對漂移電壓進行連續不斷的自校準,自動歸零結構從本質上將溫度漂移和時間漂移降到最小。於是,自動歸零放大器可以實現比傳統運算放大器高得多的漂移性能。例如, MCP6V01運算放大器的最大溫度漂移僅有50 nV/℃。

無1/f雜訊:1/f雜訊,或閃爍雜訊,是由於傳導通道的不規則性以及電晶體內偏置電流的雜訊所引起的低頻現象。在高頻段,1/f雜訊可以忽略,因為來自其他雜訊源的白雜訊將開始處於主導地位。如果輸入訊號接近直流,如來自應力計、壓力感測器和熱電偶的輸出訊號,則此時該低頻雜訊則是一個很大的問題。

在採用自動歸零放大器中,作為漂移校準的一部份,消除了1/f雜訊。由於該雜訊源呈現在輸入端,且行動相對較慢,因此它表現為放大器漂移的一部份並被補償掉。

低偏移電流:偏移電流乃流入放大器輸入端並使輸入電晶體產生偏移的電流。該電流的幅度變化範圍從微安到微微安,且與放大器的輸入電路密切相關。該參數在放大器的輸入連接高阻感測器時非常重要。由於該偏移電流流入高阻,在阻抗上產生電壓降,因而導致電壓誤差。對於這些應用,需要考慮低偏移電流。

事實上如今市場上的所有歸零放大器的輸入級採用的都是CMOS,因而偏移電流非常小。但是,來自內部開關的電流注入能夠導致比傳統的CMOS輸入運算放大器略為高一點的偏移電流。

靜態電流:對於電池供電的應用,靜態電流是一個關鍵參數。由於調零放大器和其他電路需要支援自校準自動歸零結構,對於特定的頻寬和壓擺率,自動歸零放大器通常消耗的靜態電流比傳統放大器要大。但在增加該結構的效率方面得到了很大的改善。某些運算放大器,例如Microchip的MCP6V03,為了減少元件待機時的靜態電流,提供一個片選或切斷接腳。


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