比爾·施韋伯報道

　　有許多現實世界的傳感器信號，特別是那些與自然現象有關的信號，它們僅表現出非常緩慢和輕微的變化隨時間的變化。然而，正是這些微妙的變化對于發展洞察力和對情況的理解很重要。其中許多例子包括監測橋梁或結構運動的應變計、用于電流的水下傳感器、與溫度相關的現象、感測與地震和地表板偏移相關的運動的加速度計、各種光學傳感器的輸出以及幾乎所有生物電勢信號。

　　有效和準確地捕獲非常低電平的信號一直是一個挑戰。它們很容易被噪聲破壞，因此放大它們對于實現所需的幅度和保持信噪比(SNR)至關重要。這些信號的低頻，通常為個位數或數十赫茲(Hz)，俗稱“直流信號”，增加了挑戰。

　　放大器參數中的任何初始直流失調(如偏置電流或電壓失調)、固有的1/f(粉紅色)噪聲，以及隨后由于溫度引起的漂移、電源軌變化或元件老化而不可避免的性能變化，都會降低信號鏈性能。

　　傳統上，所謂的“零漂移”放大器僅適用于較低帶寬的應用，因為動態降碼技術在較高頻率下會產生過多的偽影。然而，這是一個非常有限的限制，因為這些類似直流的信號可能具有重要的更高頻率，更寬帶寬活動的突然爆發，例如當結構突然斷裂或發生地震時。

　　因此，非常需要具有極低的類直流信號漂移并具有良好的高頻性能的前端放大器。幸運的是，拓撲和設計的增強使零漂移放大器IC的開發成為可能，該IC的工作頻率范圍為從直流到更高頻率，基本上消除了失調、參數漂移和1/f噪聲。

　　本文將使用來自 ADI公司 (ADI)來說明零漂移放大器的細節、參數和問題。然后，本文將介紹如何實現零漂移放大器功能，以及提高放大器和相關信號鏈性能的技術。

　　處理非零漂移

　　漂移是基準性能的變化，主要(但不完全)是由于傳感器以及模擬前端(AFE)電路中的各種熱效應。實現接近零漂移的傳統解決方案是使用斬波穩定放大器，將低頻信號(通常稱為直流信號)調制到更易于控制和濾波的更高頻率;放大器隨后的輸出級解調以放大的形式恢復原始信號。這種技術有效并已成功使用多年。

　　請注意，“直流信號”有點用詞不當，而“近直流”會更準確。如果信號確實是直流的，因此具有恒定的值，那么它就不會有信息承載的變化 - 相反，感興趣的是緩慢的變化。不過，常見的術語是使用術語“直流信號”。

　　基于斬波器的穩定功能的替代方案是“自動歸零”方法。此技術使用動態校正來實現類似的結果，但性能權衡略有不同。零漂移運算放大器可以使用斬波、自動歸零或兩種技術的組合來消除不需要的低頻誤差源。同樣，還有一個小的術語問題：“零漂移”一詞略有誤導性：雖然這些放大器確實具有極低、非常接近零的漂移，但它們并不完美——盡管它們非常接近。每種技術都有其優點和缺點，并用于不同的應用：

　　斬波使用信號調制和解調，基帶噪聲較低，但在斬波頻率及其諧波處也會產生噪聲偽影。

　　或者，自動歸零使用采樣保持電路，適用于更寬的頻段應用，但由于噪聲“折返”到頻譜的基帶部分，因此具有更多的帶內電壓噪聲。

　　先進的零漂移放大器IC結合了這兩種技術，可提供兩全其美的優勢。它們管理噪聲頻譜密度 (NSD) 以提供更低的基帶噪聲，同時最大限度地減少高頻誤差，如紋波、毛刺和互調失真 (IMD)(圖 1)。

　　圖 1：每種類型的模擬放大器都有獨特的典型噪聲頻譜密度 (NSD);零漂移放大器接受自穩零和斬波穩定方法的NSD性能，以產生更可接受的方案。(圖片來源：ADI公司)

　　從切碎開始

　　斬波穩定放大器(也稱為斬波放大器或簡稱為“斬波器”)使用斬波電路對輸入信號進行分解(斬波)，以便可以像調制交流信號一樣對其進行處理。然后，它將信號解調回輸出端的直流信號，以提取原始信號。

　　通過這種方式，可以放大極小的直流信號，同時將不需要的漂移的影響大大降低到接近零。斬波調制通過將誤差調制到更高的頻率，將失調和低頻噪聲與信號內容分開，在更高的頻率下，它們更容易通過濾波最小化或消除。

　　斬波操作細節在時域中很容易理解(圖 2)。輸入信號(a)被斬波信號(b)調制成方波。該信號在輸出端 (d) 處解調 (c) 回直流。放大器中固有的低頻誤差(紅色波形)在輸出端(c)調制為方波，然后(d)由低通濾波器(LPF)濾波。

　　圖2： 輸入信號V的時域波形在 (a) 輸入、(b) V1、(c) V2 和 (d) V 處的(藍色)和錯誤(紅色)外 用于基本的切碎技術。(圖片來源：ADI公司)

　　頻域分析也很有啟發性(圖 3)。輸入信號(a)被調制為斬波頻率(b)，由增益級在f處處理砍，在輸出端解調回直流 (c)，最后通過 LPF (d)。放大器的失調和噪聲源(紅色信號)通過增益級在直流下處理，調制至f砍 通過輸出斬波開關(C)，最后由LPF(d)濾波。由于使用方波調制，調制發生在調制頻率的奇數倍附近。

　　圖 3：信號頻域中的頻譜(藍色)和 (a) 輸入、(b) V1、(c) V2 和 (d) V 處的誤差(紅色)外 也是一個重要的視角。(圖片來源：ADI公司)

　　當然，沒有設計是完美的。時域和頻域數字都表明，由于LPF不是完美的“磚墻”，因此調制噪聲和失調會產生一些殘余誤差。

　　進入自動歸零

　　自動歸零是一種動態校正技術，通過采樣和減去放大器中的低頻誤差源來工作。基本的自穩零放大器由一個具有不可避免的失調和噪聲的放大器、用于重新配置輸入和輸出的開關以及一個自動歸零采樣電容組成(圖 4)。

　　圖 4：基本的自穩零放大器配置顯示了用于重新配置信號路徑的開關，從而捕獲放大器在電容器上的固有誤差。(圖片來源：ADI公司)

　　在自動歸零階段，φ1，電路的輸入短路至一個公共電壓，自穩零電容對輸入失調電壓和噪聲進行采樣。需要注意的是，放大器在此階段“不可用”進行信號放大，因為它被另一項任務占用。因此，為了使自動歸零放大器以連續方式工作，必須以所謂的“乒乓”自動歸零方式交錯兩個相同的通道。

　　在擴增階段，φ2，輸入連接回信號路徑，放大器再次可用于放大信號。低頻噪聲、失調和漂移通過自動歸零來消除。剩余誤差是當前值與上一個錯誤樣本之間的差異。

　　由于低頻誤差源與φ變化不大1 到φ2，此減法效果很好。但是，高頻噪聲混疊至基帶，導致本底白噪聲增加(圖 5)。

　　圖 5：噪聲功率譜密度由斬波和自歸零動作決定，如自歸零前、自歸零后、斬波后以及斬波和自歸零后(從左到右)所示。(圖片來源：ADI公司)

　　先進的自動歸零IC放大器的性能令人印象深刻。在臨界失調、漂移和噪聲規格方面，它們通常比“非常好”的精密運算放大器好一到兩個數量級。因此，雖然他們的數字顯然不是零，但他們非常接近它。

　　例如， ADA4528 是一款單通道軌到軌 (RTR) 零漂移放大器，最大失調電壓為 2.5 μV，最大失調電壓漂移僅為 0.015 μV/°C，電壓噪聲密度為每根 5.6 納伏赫茲 (nV)/√Hz)(f = 1 kHz 時，增益為 +100)，97 nV峰峰值 (f = 0.1 Hz至10 Hz時，增益為+100)。這 ADA4522是另一款單通道RTR零漂移放大器，最大失調電壓為5 μV，最大失調電壓漂移為22 nV/°C，電壓噪聲密度為5.8 nV/√Hz(典型值)和117 nV峰峰值 從 0.1 Hz 到 10 Hz(典型值)，輸入偏置電流為 50 皮安 (pA)(典型值)。

　　偽像會削弱“完美”

　　雖然斬波可以很好地消除不需要的偏移、漂移和1/f噪聲，但它本身會產生不需要的交流偽影，例如輸出紋波和毛刺。然而，由于仔細檢查了每個偽影的根本原因，然后使用先進或復雜的拓撲和工藝方法，ADI公司的零漂移產品使這些偽影的幅度小得多，并將它們定位在更高的頻率上，以便在系統級更容易濾除。這些工件包括：

　　脈動：斬波調制技術的基本結果，該技術將這些低頻誤差移動到斬波頻率的奇次諧波。放大器設計人員采用多種方法來減少紋波的影響，包括：

　　生產失調調整：通過執行一次性初始調整，可以顯著降低標稱失調，但失調漂移和1/f噪聲仍然存在。

　　結合斬波和自動歸零：首先對放大器進行自動歸零，然后進行斬波，將增加的噪聲頻譜密度(NSD)上調到更高的頻率(如上圖所示，該圖顯示了斬波和自動歸零后產生的噪聲頻譜)。

　　自動校正反饋(ACFB)：本地反饋環路可用于檢測輸出端的調制紋波，并消除其源頭的低頻誤差。

　　故障：由斬波開關的電荷注入不匹配引起的瞬態尖峰。這些毛刺的大小取決于許多因素，包括源阻抗和電荷失配量。

　　毛刺尖峰不僅在斬波頻率的偶次諧波處產生偽影，而且還會產生與斬波頻率成比例的殘余直流偏移。圖6(左)顯示了V1處斬波開關內部以及V2處輸出斬波開關之后的這些尖峰。斬波頻率的偶次諧波處的額外毛刺偽像是由有限的放大器帶寬引起的(圖6，右)。

　　圖 6：V1(斬波開關內部)和 V2(斬波開關外部)電荷注入的毛刺電壓(左);V1 和 V2 的有限放大器帶寬引起的毛刺(右)。(圖片來源：ADI公司)

　　與紋波一樣，放大器設計人員設計并實施了微妙但有效的技術，以減少零漂移放大器中毛刺的影響。

　　電荷注入調整：可將可調電荷注入斬波放大器的輸入端，以補償電荷不匹配，從而減少運算放大器輸入端的輸入電流。

　　多通道斬波：這不僅降低了毛刺幅度，而且還將其移動到更高的頻率，使濾波更容易。這種技術會導致更頻繁的毛刺，但幅度比簡單地以更高的頻率斬波要小。

　　在典型的零漂移放大器(A)與ADA4522之間的比較中可以看到多通道斬波的清晰演示，ADA4522使用這種技術可顯著降低毛刺的影響(圖7)。

　　圖 7：由于改進的斬波技術產生的噪聲毛刺較小，ADA4522 可將電壓尖峰降至本底噪聲。(圖片來源：ADI公司)

　　從放大器到系統性能

　　寬帶零漂移放大器的有效應用需要仔細考慮系統級問題以及放大器。了解剩余的頻率偽影在頻譜中的位置及其影響至關重要。

　　斬波頻率通常在數據表中說明，但并不總是如此。它也可以通過查看噪聲頻譜圖來確定。例如，ADA4528的數據手冊明確指出斬波頻率為200 kHz。從其噪聲密度圖中也可以看出這一點(圖8)。

　　圖 8：該器件的噪聲密度圖重申了 ADA4528 數據手冊中規定的 200 kHz 斬波頻率規格。(圖片來源：ADI公司)

　　ADA4522數據手冊指出，斬波頻率為4.8 MHz，失調和紋波校正環路的工作頻率為800 kHz。圖9中的噪聲密度圖顯示了這些噪聲峰值。在單位增益下，由于環路的相位裕量減小，在6 MHz處也存在噪聲凸起，但這并不是零漂移放大器所獨有的。

　　圖 9：ADA4522 的噪聲密度圖不僅顯示了斬波頻率，還顯示了各種來源引起的其他噪聲峰值。(圖片來源：ADI公司)

　　設計人員應記住，數據手冊中標注的頻率是一個典型數字，可能因器件而異。因此，需要兩個斬波放大器用于多個信號調理通道的系統設計應使用雙通道放大器。這是因為兩個單放大器的斬波頻率可能略有不同，這反過來又會相互作用并導致額外的IMD。

　　其他系統級設計條件包括：

　　匹配輸入源阻抗：瞬態電流毛刺與輸入源阻抗相互作用，導致差分電壓誤差，可能導致斬波頻率倍數處的額外偽影。為了盡量減少這種潛在的誤差源，斬波放大器的每個輸入應設計為具有相同的阻抗。

　　IMD和混疊偽像：斬波放大器輸入信號可以與斬波頻率f混合砍，以創建 IMD 的和差積及其諧波：f在 ± f砍， f在 ± 2樓砍， 2樓在 ± f砍，等等。這些IMD產品可以出現在感興趣的波段中，特別是作為f在 接近斬波頻率。然而，選擇斬波頻率遠高于輸入信號帶寬的零漂移放大器，通過確保頻率接近f的可能“干擾源”，可以極大地減少這個問題。砍 在此放大器級之前進行濾波。

　　使用模數轉換器(ADC)對放大器輸出進行采樣時，斬波偽像也可能混疊。這些IMD產品的具體情況取決于毛刺和紋波幅度，并且可能因器件而異，因此通常需要在ADC之前包括抗混疊濾波器以降低該IMD。

　　毫不奇怪，濾波對于充分發揮零漂移放大器的潛力至關重要，因為它是在系統級處理這些高頻偽像的最有效方法。零漂移放大器和ADC之間的低通濾波器可減少斬波偽影并避免混疊。

　　具有更高斬波頻率的零漂移放大器放寬了對LPF的要求，并允許更寬的信號帶寬。盡管如此，根據系統和信號鏈需要多少帶外抑制，可能需要高階有源濾波器，而不是簡單的濾波器。

　　ADI擁有各種資源來加快和簡化濾波器設計，包括多反饋濾波器教程(MT-220)和在線 巫師 過濾器設計工具。了解這些斬波偽像發生的頻率將有助于創建所需的濾波器(圖 10)。

　　圖 10：該表總結了零漂移放大器的噪聲類型及其頻譜位置，是評估需要哪種濾波以及在哪里需要濾波的有用指南。(圖片來源：ADI公司)

　　獲得最后一點性能

　　設計人員在使用優質組件和仔細的系統設計時遇到的問題之一是，殘余誤差源現在變得很重要。以前不相關或不可見的錯誤源現在是實現頂級性能的限制因素(這類似于河流在干旱中干涸并且首次發現新的河床特征)。換句話說，當一階和二階誤差源最小化或消除時，三階誤差源就會成為問題所在。

　　例如，對于零漂移放大器及其模擬信號通道，失調誤差的一個潛在來源是電路板上的塞貝克電壓。該電壓發生在兩種不同金屬的結處，是結溫的函數。電路板上最常見的金屬結是焊料到板走線和焊料到元件引線。

　　考慮焊接到印刷電路板(印刷電路板)上的表面貼裝元件的橫截面(圖 11)。電路板上的溫度變化，例如TA1與TA2不同時，會導致焊點處的塞貝克電壓不匹配，從而導致熱電壓誤差，從而降低零漂移放大器的超低失調電壓性能。

　　圖 11：隨著先進的零漂移放大器顯著降低其誤差，不太明顯的源(例如由熱梯度和塞貝克電壓引起的源)成為挑戰，必須加以解決。(圖片來源：ADI公司)

　　為了盡量減少這些熱電偶效應，電阻器的方向應使各種熱源均勻地加熱兩端。在可能的情況下，輸入信號路徑必須包含匹配的組件數量和類型，以匹配熱電偶結的數量和類型。虛擬元件，如零歐姆電阻，可用于匹配熱電誤差源(實際電阻在相反的輸入路徑中)。將匹配的元件放置在附近，并以相同的方式定向它們，將確保相同的塞貝克電壓，從而消除熱誤差。

　　此外，可能需要使用等長的引線來保持熱傳導平衡。電路板上的熱源應盡可能遠離放大器輸入電路。此外，接地層可用于幫助在整個電路板上分配熱量，以保持整個電路板的恒定溫度并減少EMI噪聲拾取。

　　結論

　　當今的零漂移IC提供高度穩定和準確的性能，使其成為解決實際應用中AFE挑戰的解決方案，這些應用在捕獲極低頻信號時需要精度和一致性。它們解決了長期存在的問題，即精確放大這些處于直流或接近直流的信號，以及許多需要更寬帶寬的情況。通過將構建此類放大器的兩種可用技術(即基于斬波器的穩定和自動歸零)合并到單個IC中，設計人員可以從每種方法的積極屬性中受益，這也大大減少了它們的偽影和缺點。