比尔·施韦伯报道

　　有许多现实世界的传感器信号，特别是那些与自然现象有关的信号，它们仅表现出非常缓慢和轻微的变化随时间的变化。然而，正是这些微妙的变化对于发展洞察力和对情况的理解很重要。其中许多例子包括监测桥梁或结构运动的应变计、用于电流的水下传感器、与温度相关的现象、感测与地震和地表板偏移相关的运动的加速度计、各种光学传感器的输出以及几乎所有生物电势信号。

　　有效和准确地捕获非常低电平的信号一直是一个挑战。它们很容易被噪声破坏，因此放大它们对于实现所需的幅度和保持信噪比(SNR)至关重要。这些信号的低频，通常为个位数或数十赫兹(Hz)，俗称“直流信号”，增加了挑战。

　　放大器参数中的任何初始直流失调(如偏置电流或电压失调)、固有的1/f(粉红色)噪声，以及随后由于温度引起的漂移、电源轨变化或元件老化而不可避免的性能变化，都会降低信号链性能。

　　传统上，所谓的“零漂移”放大器仅适用于较低带宽的应用，因为动态降码技术在较高频率下会产生过多的伪影。然而，这是一个非常有限的限制，因为这些类似直流的信号可能具有重要的更高频率，更宽带宽活动的突然爆发，例如当结构突然断裂或发生地震时。

　　因此，非常需要具有极低的类直流信号漂移并具有良好的高频性能的前端放大器。幸运的是，拓扑和设计的增强使零漂移放大器IC的开发成为可能，该IC的工作频率范围为从直流到更高频率，基本上消除了失调、参数漂移和1/f噪声。

　　本文将使用来自 ADI公司 (ADI)来说明零漂移放大器的细节、参数和问题。然后，本文将介绍如何实现零漂移放大器功能，以及提高放大器和相关信号链性能的技术。

　　处理非零漂移

　　漂移是基准性能的变化，主要(但不完全)是由于传感器以及模拟前端(AFE)电路中的各种热效应。实现接近零漂移的传统解决方案是使用斩波稳定放大器，将低频信号(通常称为直流信号)调制到更易于控制和滤波的更高频率;放大器随后的输出级解调以放大的形式恢复原始信号。这种技术有效并已成功使用多年。

　　请注意，“直流信号”有点用词不当，而“近直流”会更准确。如果信号确实是直流的，因此具有恒定的值，那么它就不会有信息承载的变化 - 相反，感兴趣的是缓慢的变化。不过，常见的术语是使用术语“直流信号”。

　　基于斩波器的稳定功能的替代方案是“自动归零”方法。此技术使用动态校正来实现类似的结果，但性能权衡略有不同。零漂移运算放大器可以使用斩波、自动归零或两种技术的组合来消除不需要的低频误差源。同样，还有一个小的术语问题：“零漂移”一词略有误导性：虽然这些放大器确实具有极低、非常接近零的漂移，但它们并不完美——尽管它们非常接近。每种技术都有其优点和缺点，并用于不同的应用：

　　斩波使用信号调制和解调，基带噪声较低，但在斩波频率及其谐波处也会产生噪声伪影。

　　或者，自动归零使用采样保持电路，适用于更宽的频段应用，但由于噪声“折返”到频谱的基带部分，因此具有更多的带内电压噪声。

　　先进的零漂移放大器IC结合了这两种技术，可提供两全其美的优势。它们管理噪声频谱密度 (NSD) 以提供更低的基带噪声，同时最大限度地减少高频误差，如纹波、毛刺和互调失真 (IMD)(图 1)。

　　图 1：每种类型的模拟放大器都有独特的典型噪声频谱密度 (NSD);零漂移放大器接受自稳零和斩波稳定方法的NSD性能，以产生更可接受的方案。(图片来源：ADI公司)

　　从切碎开始

　　斩波稳定放大器(也称为斩波放大器或简称为“斩波器”)使用斩波电路对输入信号进行分解(斩波)，以便可以像调制交流信号一样对其进行处理。然后，它将信号解调回输出端的直流信号，以提取原始信号。

　　通过这种方式，可以放大极小的直流信号，同时将不需要的漂移的影响大大降低到接近零。斩波调制通过将误差调制到更高的频率，将失调和低频噪声与信号内容分开，在更高的频率下，它们更容易通过滤波最小化或消除。

　　斩波操作细节在时域中很容易理解(图 2)。输入信号(a)被斩波信号(b)调制成方波。该信号在输出端 (d) 处解调 (c) 回直流。放大器中固有的低频误差(红色波形)在输出端(c)调制为方波，然后(d)由低通滤波器(LPF)滤波。

　　图2： 输入信号V的时域波形在 (a) 输入、(b) V1、(c) V2 和 (d) V 处的(蓝色)和错误(红色)外 用于基本的切碎技术。(图片来源：ADI公司)

　　频域分析也很有启发性(图 3)。输入信号(a)被调制为斩波频率(b)，由增益级在f处处理砍，在输出端解调回直流 (c)，最后通过 LPF (d)。放大器的失调和噪声源(红色信号)通过增益级在直流下处理，调制至f砍 通过输出斩波开关(C)，最后由LPF(d)滤波。由于使用方波调制，调制发生在调制频率的奇数倍附近。

　　图 3：信号频域中的频谱(蓝色)和 (a) 输入、(b) V1、(c) V2 和 (d) V 处的误差(红色)外 也是一个重要的视角。(图片来源：ADI公司)

　　当然，没有设计是完美的。时域和频域数字都表明，由于LPF不是完美的“砖墙”，因此调制噪声和失调会产生一些残余误差。

　　进入自动归零

　　自动归零是一种动态校正技术，通过采样和减去放大器中的低频误差源来工作。基本的自稳零放大器由一个具有不可避免的失调和噪声的放大器、用于重新配置输入和输出的开关以及一个自动归零采样电容组成(图 4)。

　　图 4：基本的自稳零放大器配置显示了用于重新配置信号路径的开关，从而捕获放大器在电容器上的固有误差。(图片来源：ADI公司)

　　在自动归零阶段，φ1，电路的输入短路至一个公共电压，自稳零电容对输入失调电压和噪声进行采样。需要注意的是，放大器在此阶段“不可用”进行信号放大，因为它被另一项任务占用。因此，为了使自动归零放大器以连续方式工作，必须以所谓的“乒乓”自动归零方式交错两个相同的通道。

　　在扩增阶段，φ2，输入连接回信号路径，放大器再次可用于放大信号。低频噪声、失调和漂移通过自动归零来消除。剩余误差是当前值与上一个错误样本之间的差异。

　　由于低频误差源与φ变化不大1 到φ2，此减法效果很好。但是，高频噪声混叠至基带，导致本底白噪声增加(图 5)。

　　图 5：噪声功率谱密度由斩波和自归零动作决定，如自归零前、自归零后、斩波后以及斩波和自归零后(从左到右)所示。(图片来源：ADI公司)

　　先进的自动归零IC放大器的性能令人印象深刻。在临界失调、漂移和噪声规格方面，它们通常比“非常好”的精密运算放大器好一到两个数量级。因此，虽然他们的数字显然不是零，但他们非常接近它。

　　例如， ADA4528 是一款单通道轨到轨 (RTR) 零漂移放大器，最大失调电压为 2.5 μV，最大失调电压漂移仅为 0.015 μV/°C，电压噪声密度为每根 5.6 纳伏赫兹 (nV)/√Hz)(f = 1 kHz 时，增益为 +100)，97 nV峰峰值 (f = 0.1 Hz至10 Hz时，增益为+100)。这 ADA4522是另一款单通道RTR零漂移放大器，最大失调电压为5 μV，最大失调电压漂移为22 nV/°C，电压噪声密度为5.8 nV/√Hz(典型值)和117 nV峰峰值 从 0.1 Hz 到 10 Hz(典型值)，输入偏置电流为 50 皮安 (pA)(典型值)。

　　伪像会削弱“完美”

　　虽然斩波可以很好地消除不需要的偏移、漂移和1/f噪声，但它本身会产生不需要的交流伪影，例如输出纹波和毛刺。然而，由于仔细检查了每个伪影的根本原因，然后使用先进或复杂的拓扑和工艺方法，ADI公司的零漂移产品使这些伪影的幅度小得多，并将它们定位在更高的频率上，以便在系统级更容易滤除。这些工件包括：

　　脉动：斩波调制技术的基本结果，该技术将这些低频误差移动到斩波频率的奇次谐波。放大器设计人员采用多种方法来减少纹波的影响，包括：

　　生产失调调整：通过执行一次性初始调整，可以显著降低标称失调，但失调漂移和1/f噪声仍然存在。

　　结合斩波和自动归零：首先对放大器进行自动归零，然后进行斩波，将增加的噪声频谱密度(NSD)上调到更高的频率(如上图所示，该图显示了斩波和自动归零后产生的噪声频谱)。

　　自动校正反馈(ACFB)：本地反馈环路可用于检测输出端的调制纹波，并消除其源头的低频误差。

　　故障：由斩波开关的电荷注入不匹配引起的瞬态尖峰。这些毛刺的大小取决于许多因素，包括源阻抗和电荷失配量。

　　毛刺尖峰不仅在斩波频率的偶次谐波处产生伪影，而且还会产生与斩波频率成比例的残余直流偏移。图6(左)显示了V1处斩波开关内部以及V2处输出斩波开关之后的这些尖峰。斩波频率的偶次谐波处的额外毛刺伪像是由有限的放大器带宽引起的(图6，右)。

　　图 6：V1(斩波开关内部)和 V2(斩波开关外部)电荷注入的毛刺电压(左);V1 和 V2 的有限放大器带宽引起的毛刺(右)。(图片来源：ADI公司)

　　与纹波一样，放大器设计人员设计并实施了微妙但有效的技术，以减少零漂移放大器中毛刺的影响。

　　电荷注入调整：可将可调电荷注入斩波放大器的输入端，以补偿电荷不匹配，从而减少运算放大器输入端的输入电流。

　　多通道斩波：这不仅降低了毛刺幅度，而且还将其移动到更高的频率，使滤波更容易。这种技术会导致更频繁的毛刺，但幅度比简单地以更高的频率斩波要小。

　　在典型的零漂移放大器(A)与ADA4522之间的比较中可以看到多通道斩波的清晰演示，ADA4522使用这种技术可显著降低毛刺的影响(图7)。

　　图 7：由于改进的斩波技术产生的噪声毛刺较小，ADA4522 可将电压尖峰降至本底噪声。(图片来源：ADI公司)

　　从放大器到系统性能

　　宽带零漂移放大器的有效应用需要仔细考虑系统级问题以及放大器。了解剩余的频率伪影在频谱中的位置及其影响至关重要。

　　斩波频率通常在数据表中说明，但并不总是如此。它也可以通过查看噪声频谱图来确定。例如，ADA4528的数据手册明确指出斩波频率为200 kHz。从其噪声密度图中也可以看出这一点(图8)。

　　图 8：该器件的噪声密度图重申了 ADA4528 数据手册中规定的 200 kHz 斩波频率规格。(图片来源：ADI公司)

　　ADA4522数据手册指出，斩波频率为4.8 MHz，失调和纹波校正环路的工作频率为800 kHz。图9中的噪声密度图显示了这些噪声峰值。在单位增益下，由于环路的相位裕量减小，在6 MHz处也存在噪声凸起，但这并不是零漂移放大器所独有的。

　　图 9：ADA4522 的噪声密度图不仅显示了斩波频率，还显示了各种来源引起的其他噪声峰值。(图片来源：ADI公司)

　　设计人员应记住，数据手册中标注的频率是一个典型数字，可能因器件而异。因此，需要两个斩波放大器用于多个信号调理通道的系统设计应使用双通道放大器。这是因为两个单放大器的斩波频率可能略有不同，这反过来又会相互作用并导致额外的IMD。

　　其他系统级设计条件包括：

　　匹配输入源阻抗：瞬态电流毛刺与输入源阻抗相互作用，导致差分电压误差，可能导致斩波频率倍数处的额外伪影。为了尽量减少这种潜在的误差源，斩波放大器的每个输入应设计为具有相同的阻抗。

　　IMD和混叠伪像：斩波放大器输入信号可以与斩波频率f混合砍，以创建 IMD 的和差积及其谐波：f在 ± f砍， f在 ± 2楼砍， 2楼在 ± f砍，等等。这些IMD产品可以出现在感兴趣的波段中，特别是作为f在 接近斩波频率。然而，选择斩波频率远高于输入信号带宽的零漂移放大器，通过确保频率接近f的可能“干扰源”，可以极大地减少这个问题。砍 在此放大器级之前进行滤波。

　　使用模数转换器(ADC)对放大器输出进行采样时，斩波伪像也可能混叠。这些IMD产品的具体情况取决于毛刺和纹波幅度，并且可能因器件而异，因此通常需要在ADC之前包括抗混叠滤波器以降低该IMD。

　　毫不奇怪，滤波对于充分发挥零漂移放大器的潜力至关重要，因为它是在系统级处理这些高频伪像的最有效方法。零漂移放大器和ADC之间的低通滤波器可减少斩波伪影并避免混叠。

　　具有更高斩波频率的零漂移放大器放宽了对LPF的要求，并允许更宽的信号带宽。尽管如此，根据系统和信号链需要多少带外抑制，可能需要高阶有源滤波器，而不是简单的滤波器。

　　ADI拥有各种资源来加快和简化滤波器设计，包括多反馈滤波器教程(MT-220)和在线 巫师 过滤器设计工具。了解这些斩波伪像发生的频率将有助于创建所需的滤波器(图 10)。

　　图 10：该表总结了零漂移放大器的噪声类型及其频谱位置，是评估需要哪种滤波以及在哪里需要滤波的有用指南。(图片来源：ADI公司)

　　获得最后一点性能

　　设计人员在使用优质组件和仔细的系统设计时遇到的问题之一是，残余误差源现在变得很重要。以前不相关或不可见的错误源现在是实现顶级性能的限制因素(这类似于河流在干旱中干涸并且首次发现新的河床特征)。换句话说，当一阶和二阶误差源最小化或消除时，三阶误差源就会成为问题所在。

　　例如，对于零漂移放大器及其模拟信号通道，失调误差的一个潜在来源是电路板上的塞贝克电压。该电压发生在两种不同金属的结处，是结温的函数。电路板上最常见的金属结是焊料到板走线和焊料到元件引线。

　　考虑焊接到印刷电路板(印刷电路板)上的表面贴装元件的横截面(图 11)。电路板上的温度变化，例如TA1与TA2不同时，会导致焊点处的塞贝克电压不匹配，从而导致热电压误差，从而降低零漂移放大器的超低失调电压性能。

　　图 11：随着先进的零漂移放大器显著降低其误差，不太明显的源(例如由热梯度和塞贝克电压引起的源)成为挑战，必须加以解决。(图片来源：ADI公司)

　　为了尽量减少这些热电偶效应，电阻器的方向应使各种热源均匀地加热两端。在可能的情况下，输入信号路径必须包含匹配的组件数量和类型，以匹配热电偶结的数量和类型。虚拟元件，如零欧姆电阻，可用于匹配热电误差源(实际电阻在相反的输入路径中)。将匹配的元件放置在附近，并以相同的方式定向它们，将确保相同的塞贝克电压，从而消除热误差。

　　此外，可能需要使用等长的引线来保持热传导平衡。电路板上的热源应尽可能远离放大器输入电路。此外，接地层可用于帮助在整个电路板上分配热量，以保持整个电路板的恒定温度并减少EMI噪声拾取。

　　结论

　　当今的零漂移IC提供高度稳定和准确的性能，使其成为解决实际应用中AFE挑战的解决方案，这些应用在捕获极低频信号时需要精度和一致性。它们解决了长期存在的问题，即精确放大这些处于直流或接近直流的信号，以及许多需要更宽带宽的情况。通过将构建此类放大器的两种可用技术(即基于斩波器的稳定和自动归零)合并到单个IC中，设计人员可以从每种方法的积极属性中受益，这也大大减少了它们的伪影和缺点。