自動(dòng)調(diào)零運(yùn)算放大器――便攜式信號調(diào)理應(yīng)用固有的優(yōu)點(diǎn)

乍一看，“自動(dòng)調(diào)零”運(yùn)算放大器好像是個(gè)新術(shù)語，但事實(shí)上這一概念已存在幾十年了。本文將探討自動(dòng)調(diào)零運(yùn)放的歷史，并將大致描述該架構(gòu)。此外，本文還將探討該架構(gòu)在信號調(diào)理應(yīng)用中固有的優(yōu)點(diǎn)。最后還將分析一個(gè)應(yīng)用示例，以進(jìn)一步比較自動(dòng)調(diào)零運(yùn)放的架構(gòu)與傳統(tǒng)運(yùn)放的架構(gòu)。

簡史
斬波放大器已誕生幾十年了，追溯起來將近有60年。斬波放大器的發(fā)明是為了滿足極低失調(diào)、低漂移運(yùn)放的需要。在那時(shí)，斬波放大器的性能比雙極型運(yùn)放優(yōu)越。原始斬波放大器的輸入和輸出由開關(guān)控制（或斬波），對輸入信號進(jìn)行調(diào)制，校正失調(diào)誤差，然后在輸出時(shí)解調(diào)。該技術(shù)可確保失調(diào)電壓和漂移很低，但也有其局限。由于要對放大器的輸入進(jìn)行采樣，因此輸入信號的頻率必須低于斬波頻率的一半，以避免混疊。除了帶寬限制外，斬波操作還會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)顯著毛刺，需要在輸出端進(jìn)行濾波，以濾除所造成的紋波。

作為下一代自校正放大器代表的斬波穩(wěn)態(tài)運(yùn)放使斬波放大器的性能獲得了極大改進(jìn)。該架構(gòu)使用了兩個(gè)放大器：“主”放大器和“調(diào)零”放大器，如圖1所示。調(diào)零放大器通過將輸入端短路并對其自身的調(diào)零引腳施加校正信號來校正其自身的失調(diào)誤差，隨后監(jiān)視并校正主放大器的失調(diào)。因?yàn)橹鞣糯笃魇冀K連接到IC的輸入和輸出，因此輸入信號的帶寬由主放大器的帶寬決定，而不再取決于斬波頻率。這一特性使該架構(gòu)相對于早期的斬波放大器有很大的優(yōu)勢。開關(guān)操作造成的電荷注入仍是個(gè)問題，這可能導(dǎo)致信號瞬變，并且注入的電荷會(huì)與輸入信號耦合，造成互調(diào)失真。

圖1簡化的斬波穩(wěn)態(tài)功能框圖

自動(dòng)調(diào)零架構(gòu)在概念上與斬波穩(wěn)態(tài)放大器相似，即有一個(gè)調(diào)零放大器和一個(gè)主放大器。但是，經(jīng)過了多年的重大改進(jìn)，目前自動(dòng)調(diào)零架構(gòu)的噪聲、電荷注入和其他與斬波穩(wěn)態(tài)運(yùn)放相關(guān)的性能問題都被降到了最小的程度。不同的制造商使用不同術(shù)語定義該架構(gòu)，例如，“自動(dòng)調(diào)零”、“自動(dòng)相關(guān)調(diào)零”以及“零漂移”。無論術(shù)語如何表達(dá)，基本的底層架構(gòu)都是相同的。

自動(dòng)調(diào)零架構(gòu)的優(yōu)勢
如上所述，自動(dòng)調(diào)零架構(gòu)會(huì)持續(xù)地自校正放大器的失調(diào)電壓誤差。這就形成了相對于傳統(tǒng)運(yùn)放的幾個(gè)獨(dú)特優(yōu)勢。

1低失調(diào)電壓
調(diào)零放大器持續(xù)地消除其自身的失調(diào)電壓，然后對主放大器施加校正信號。該校正信號的頻率取決于實(shí)際的設(shè)計(jì)，但通常每秒發(fā)生幾千次。例如，Microchip Technology的MCP6V01自動(dòng)調(diào)零放大器每100μs校正一次主放大器，即每秒一萬次。這種持續(xù)校正可確保極低的失調(diào)電壓，比傳統(tǒng)運(yùn)放低得多。此外，校正失調(diào)電壓的過程還會(huì)校正其他直流規(guī)范，例如電源抑制和共模抑制。因此，自動(dòng)調(diào)零放大器能實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)放大器更優(yōu)異的抑制能力。

2 溫度和時(shí)間漂移低
所有放大器，無論其工藝技術(shù)和架構(gòu)如何，都會(huì)隨溫度和時(shí)間變化產(chǎn)生失調(diào)電壓。多數(shù)運(yùn)放用V/℃來描述該失調(diào)的溫度漂移。該漂移在不同放大器間可能差別很大。對于傳統(tǒng)放大器，通常介于幾到幾十μV/℃之間，這在高精度應(yīng)用中可能是個(gè)大問題；和初始失調(diào)誤差不同，該漂移無法用一次性系統(tǒng)校正來消除。

除了溫度漂移外，放大器的失調(diào)電壓也會(huì)隨著時(shí)間而改變。對于傳統(tǒng)運(yùn)放，該時(shí)間漂移（有時(shí)稱為累增）通常不會(huì)在數(shù)據(jù)手冊中指出，但它會(huì)在器件的整個(gè)使用壽命中產(chǎn)生顯著的誤差。

自動(dòng)調(diào)零架構(gòu)固有的特性，使它能通過持續(xù)地自校正失調(diào)電壓，盡可能減少溫度漂移和時(shí)間漂移。這樣，自動(dòng)調(diào)零放大器相比傳統(tǒng)運(yùn)放在漂移性能方面有顯著改善。例如，前面提到的MCP6V01運(yùn)放的最大溫度漂移只有50nV/℃。