每當提到自動歸零或斬波穩(wěn)定放大器的主題時，不可避免的第一個問題是“它們是如何工作的？除了對設備內部工作的好奇心之外，大多數(shù)工程師心中真正的問題可能是：“直流精度看起來令人難以置信，但是如果我在電路中使用其中之一，我將不得不忍受什么樣的奇怪行為;我該如何圍繞這些問題進行設計？本文的第 1 部分將嘗試回答這兩個問題。在第 2 部分中，將提到一些非常流行和及時的應用程序，以說明這些部分的顯著優(yōu)點和一些缺點。

斬波放大器 — 工作原理

第一個斬波放大器是在50多年前發(fā)明的，通過將直流電壓轉換為交流信號來對抗直流放大器的漂移。最初的實現(xiàn)使用輸入信號的開關交流耦合和交流信號的同步解調，以在輸出端重新建立直流信號。這些放大器的帶寬有限，需要后濾波以消除斬波動作產(chǎn)生的大紋波電壓。

斬波穩(wěn)定放大器通過使用斬波放大器穩(wěn)定留在信號路徑中的傳統(tǒng)寬帶放大器，解決了帶寬限制問題（1）。早期的斬波穩(wěn)定設計只能進行反相操作，因為穩(wěn)定放大器的輸出直接連接到寬帶差分放大器的同相輸入?，F(xiàn)代IC“斬波器”放大器實際上采用自歸零方法，使用類似于斬波穩(wěn)定方案的兩級或多級復合放大器結構。不同之處在于，穩(wěn)定放大器信號通過額外的“調零”輸入端子連接到寬帶或主放大器，而不是差分輸入之一。更高頻率的信號通過直接連接到主放大器或使用前饋技術來繞過調零級，從而在寬帶寬操作中保持穩(wěn)定的零點。

因此，該技術將直流穩(wěn)定性和良好的頻率響應與反相和同相配置的可訪問性相結合。然而，它可能產(chǎn)生由高水平的數(shù)字開關“噪聲”組成的干擾信號，從而限制更寬可用帶寬的有用性。它還會導致互調失真（IMD），這看起來像時鐘信號和輸入信號之間的混疊，產(chǎn)生和頻率和差分頻率的誤差信號。稍后會詳細介紹。

自歸零放大器原理

自穩(wěn)零放大器通常在每個時鐘周期以兩相工作，如圖1a和1b所示。簡化電路顯示了一個歸零放大器（A一個）、主（寬帶）放大器 （AB）、存儲電容器 （CM1和 CM2），以及用于輸入和存儲電容器的開關。組合放大器以典型的運算放大器增益配置所示。

在相位A中，自穩(wěn)零相位（圖1a），輸入信號施加到主放大器（AB） 單獨;主放大器的調零輸入由存儲在電容器C上的電壓提供M2;和調零放大器（A一個） 自動歸零自身，將其調零電壓施加到 CM1.在相位 B 中，其調零電壓由 C 提供M1，調零放大器放大施加到主放大器的輸入差壓，并將放大后的電壓施加到主放大器和C的調零輸入端M2.

圖1.自歸零放大器中的開關設置。

兩個放大器均使用可調整運算放大器模型（圖2），具有差分輸入和失調調整輸入。

圖2.可微調運算放大器型號。

在歸零階段（相位A-圖1a），歸零放大器的輸入短路在一起，并短路至反相輸入端子（共模輸入電壓）。調零放大器通過反饋到其調零端子來使該電壓與調零輸入的增量增益的乘積近似等于A一個的輸入偏移量 （V操作系統(tǒng)).調零電壓也施加在C上M1.同時，主放大器的行為類似于普通運算放大器。其調零電壓由存儲在 C 上的電壓提供M2.

在輸出階段（相位B-圖1b），調零放大器的輸入連接到主放大器的輸入端子。CM1現(xiàn)在繼續(xù)提供調零放大器所需的失調校正電壓。差分輸入信號由調零放大器放大，并由主放大器調零輸入電路的增量增益進一步放大。它也直接被主放大器本身的增益放大（AB).運算放大器反饋將導致調零放大器的輸出電壓為主放大器調零輸入端所需的任何電壓，從而使主放大器的輸入差壓接近于零。放大器 A一個的輸出也施加在存儲電容器C上M2，這將在下一個階段 A 中保持所需的電壓。

開環(huán)放大器總直流增益大約等于調零放大器增益與寬帶放大器調零端增益的乘積。總有效失調電壓大約等于主放大器和歸零放大器失調電壓之和除以主放大器調零端的增益。該端子處的極高增益導致整個放大器的有效失調電壓非常低。

當周期返回到零點階段時，C上存儲的電壓M2繼續(xù)有效校正主放大器的直流失調。從調零到輸出階段的周期以內部時鐘和邏輯電路設定的速率連續(xù)重復。（有關自穩(wěn)零放大器工作原理的詳細信息，請參見AD8551/AD8552/AD8554或AD8571放大器的數(shù)據(jù)手冊）。

自穩(wěn)零放大器特性

現(xiàn)在我們已經(jīng)了解了放大器的工作原理，讓我們來看看它與“普通”放大器的行為。首先，請注意，關于自穩(wěn)零放大器的一個常見神話是不真實的：整個放大器的增益帶寬積與斬波時鐘頻率無關。雖然斬波時鐘頻率通常在幾百Hz到幾kHz之間，但許多最近的自穩(wěn)零放大器的增益帶寬積和單位增益帶寬為1-3 MHz，甚至可能更高。

從工作說明中可以很容易地推斷出許多非常理想的特性：直流開環(huán)電壓增益是兩個放大器增益的乘積，非常大，通常超過10萬，即140 dB。由于較大的歸零端增益對原始放大器失調的影響，失調電壓非常低。自穩(wěn)零放大器的典型失調電壓在140微伏范圍內。低有效失調電壓還會影響與失調電壓直流變化相關的參數(shù)，即直流CMR和PSR，通常超過40 dB。由于失調電壓不斷“校正”，失調隨時間的變化非常小，每月僅為50-<>nV。溫度效應也是如此;這種設計良好的放大器的失調溫度系數(shù)僅為每°C幾納伏！

放大器工作的一個不太明顯的后果是低頻“1/f噪聲”特性。在“普通”放大器中，輸入電壓噪聲頻譜密度與低于“轉折”頻率的頻率呈指數(shù)成反比，“轉折”頻率可能從幾赫茲到幾百赫茲不等。這種低頻噪聲看起來像是斬波穩(wěn)定或自穩(wěn)零放大器的自動校正電路的失調誤差。當頻率接近直流時，自動校正操作變得更加有效。由于自穩(wěn)零放大器中的高速斬波器動作，低頻噪聲在直流時相對平坦（無1/f噪聲！在低頻應用中，這種缺乏1/f噪聲可能是一大優(yōu)勢，因為低頻應用通常具有長采樣間隔。

由于這些器件具有MOS輸入，因此偏置電流和電流噪聲非常低。然而，出于同樣的原因，寬帶電壓噪聲性能通常適中。MOS輸入往往噪聲較大，特別是與精密雙極性處理放大器相比，后者使用大型輸入器件來改善匹配，并且通常具有較大的輸入級尾電流。ADI公司AD855x放大器的噪聲約為大多數(shù)競爭器件的一半。然而，仍有改進的余地，幾家制造商（包括ADI）已經(jīng)宣布了未來低噪聲自穩(wěn)零放大器的計劃。

電荷注入[開關驅動電壓與電容器的電容耦合]發(fā)生在斬波開關打開和關閉時。這種和其他開關效應在斬波時鐘頻率及其諧波處產(chǎn)生電壓和電流“噪聲”瞬變。與放大器的寬帶本底噪聲相比，這些噪聲偽影很大;如果它們落在信號路徑的目標頻帶內，則它們可能是一個重要的誤差源。更糟糕的是，這種開關會導致輸出信號的互調失真，從而在和頻和差頻處產(chǎn)生額外的誤差信號。如果您熟悉采樣數(shù)據(jù)系統(tǒng)，這看起來很像輸入信號和時鐘信號及其諧波之間的混疊。實際上，放大器在調零階段的增益帶寬與輸出階段的增益帶寬之間的微小差異會導致閉環(huán)增益在時鐘頻率處略有不同的值之間交替。IMD的大小取決于內部匹配，與時鐘“噪聲”的大小無關。IMD和諧波失真產(chǎn)物相對于輸入信號的加起來通常約為-100至-130 dB，加上閉環(huán)增益（以dB為單位）。您將在下面看到，簡單的電路技術可以限制IMD和時鐘噪聲在帶外時的影響。

最近一些采用新穎時鐘方案的自穩(wěn)零放大器設計，包括ADI公司的AD857x系列，在很大程度上成功地抑制了這種行為。該系列器件采用（專利）擴頻時鐘技術，避免了單時鐘頻率引起的問題，從而產(chǎn)生與偽隨機斬波器相關的噪聲。由于固有開關噪聲或“混疊”信號中在單個頻率下不再存在峰值，因此這些器件可以在超出標稱斬波頻率的信號帶寬下使用，而不會在帶內顯示較大的誤差信號。這種放大器對于幾kHz以上的信號帶寬更有用。

最近的一些設備使用了更高的斬波頻率，這也可以擴展有用的帶寬。但是，這種方法可能會降低V操作系統(tǒng)性能并增加輸入偏置電流（有關電荷注入效應，請參見下文）;必須仔細權衡設計權衡。在設計和布局上格外小心有助于最大限度地減少開關瞬變。

如上所述，幾乎所有單芯片自穩(wěn)零放大器都具有MOS輸入級，往往產(chǎn)生相當?shù)偷妮斎肫秒娏鳌Ｈ绻嬖谳^大的源阻抗，這是一個非常理想的功能。然而，電荷注入會對輸入偏置電流行為產(chǎn)生一些意想不到的影響。

在低溫下，柵極泄漏和輸入保護二極管泄漏非常低，因此主要的輸入偏置電流源是輸入MOSFET和開關晶體管上的電荷注入。電荷注入在反相和同相輸入上的方向相反，因此輸入偏置電流具有相反的極性。因此，輸入失調電流大于輸入偏置電流。幸運的是，電荷注入引起的偏置電流相當小，在10-20pA范圍內，并且對共模電壓相對不敏感。

當器件溫度升至40-50°C以上時，輸入保護二極管的反向漏電流占主導地位;輸入偏置電流隨溫度迅速上升（漏電流每升高10°C約一倍）。漏電流在每個輸入端具有相同的極性，因此在這些高溫下，輸入失調電流小于輸入偏置電流。此溫度范圍內的輸入偏置電流很大程度上取決于輸入共模電壓，因為保護二極管上的反向偏置電壓隨共模電壓而變化。在保護二極管連接到兩個電源軌的電路中，偏置電流極性隨著共模電壓在電源電壓范圍內的擺動而變化。

由于存在存儲電容，許多自穩(wěn)零放大器需要很長時間才能從輸出飽和中恢復（通常稱為過載恢復）。對于使用外部電容器的電路尤其如此。使用內部電容器的較新設計恢復速度更快，但仍需要幾毫秒才能恢復。AD855x和AD8571系列的恢復速度更快，與“普通”放大器的恢復速度大致相同，耗時不到100 μs。這種比較也適用于導通建立時間。

最后，由于自動校正功能需要復雜的附加電路，自動歸零放大器在相同交流性能水平（帶寬、壓擺率、電壓噪聲和建立時間）下需要比同類非斬波放大器更多的靜態(tài)電流。即使是最低功耗的自穩(wěn)零放大器也需要數(shù)百微安的靜態(tài)電流;它們的帶寬非常適中，200 kHz 時寬帶噪聲接近 150 nV/?Hz（1 kHz）。相比之下，一些標準CMOS和雙極性放大器在低于10 μA的靜態(tài)電流下提供大致相同的帶寬和更低的噪聲。

應用

盡管存在上述所有差異，但應用自動歸零放大器與應用任何運算放大器并沒有太大區(qū)別。在下一期中，本文的第2部分將討論應用考慮因素，并提供在分流器、壓力傳感器和其他應變橋、紅外（熱電堆）傳感器和精密基準電壓源中的應用示例。

審核編輯：郭婷