自動歸零運(yùn)算放大器在便攜式訊號調(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，故需在輸出端對這些紋波進(jìn)行平滑濾波。

　　后來，對斬波放大器進(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)中采用了兩個放大器，即一個主放大器、一個零點(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。相對于老式斬波放大器，這種結(jié)構(gòu)具有一個很大的優(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的頻寬。因此，輸入頻寬不再依賴斬波頻率。但來自開關(guān)動作的電荷注入仍然是一個問題，將會引起瞬變并與輸入訊號耦合，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。

　　自動歸零結(jié)構(gòu)在概念上類似于分別具有一個調(diào)零放大器和一個主放大器的穩(wěn)定斬波放大器。不過，相對于穩(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。

　　自動歸零結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)

　　如上所述，自動歸零結(jié)構(gòu)不斷對放大器的失調(diào)電壓誤差進(jìn)行自校準(zhǔn)。相對于傳統(tǒng)的放大器，這造就了以下幾個顯著的優(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，并隨后對主放大器施加一個校正系數(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自動歸零放大器，每隔100 μs對主放大器校準(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)電壓都會隨溫度和時間而變化。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。該溫度漂移對于高精密度應(yīng)用來說是一個嚴(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)電壓還會隨著時間而變化。對于傳統(tǒng)的運(yùn)算放大器，該時間漂移(有時稱作為老化)通常在數(shù)據(jù)頁中沒有指明，不過隨著組件的老化也會產(chǎn)生很大的誤差。

　　由于對漂移電壓進(jìn)行連續(xù)不斷的自校準(zhǔn)，自動歸零結(jié)構(gòu)從本質(zhì)上將溫度漂移和時間漂移降到最小。于是，自動歸零放大器可以實(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，則此時該低頻噪聲則是一個很大的問題。

　　在采用自動歸零放大器中，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，且行動相對較慢，因此它表現(xiàn)為放大器漂移的一部份并被補(bǔ)償?shù)簟?/p>