揭秘自稳零放大器：应用考虑因素

作者：Eric Nolan and Reza Moghimi

本文由两部分组成，第1部分介绍了自稳零放大器的工作原理，并确定了它们的重要特性。正如所承诺的，本期将讨论一些特别适合自稳零放大器的应用思路

应用自稳零放大器与应用任何运算放大器没有太大区别。大多数新设计具有与任何其他放大器相同的引脚排列和功能。直流闭环增益由电阻以相同的方式设置;过滤、集成等功能也可以用同样的方式完成。在大多数应用中，主要对策是限制带宽，以从通带中排除斩波噪声和IMD伪影。对于具有固定斩波器频率的自动归零放大器，这通常将其应用限制在低于1或2 kHz的直流或低频信号上。

精密分流器：精密分流电流传感器得益于差分配置中使用的自动归零放大器的一些独特属性（图 1）。分流传感器用于反馈控制系统的精密电流源。它们还用于各种其他应用，包括电池电量计、电动助力转向中的扭矩反馈控制和精确功率计量。

图1.分流放大器

在此类应用中，需要使用电阻非常低的分流器来最小化串联压降;这最大限度地减少了功率浪费，并允许测量大电流而不会产生明显的压降。典型的分流器可能为 0.1 W。在1+安培的测量电流值下，分流器的输出信号为数百毫伏甚至伏特，放大器误差源并不重要。然而，在1 mA范围内的低测量电流值下，分流器的100 μV输出电压需要非常低的失调电压和漂移才能保持绝对精度。还需要低输入偏置电流，以便“注入”偏置电流不会成为测量电流的显著百分比。高开环增益、CMR 和 PSR 都有助于保持整体电路精度。只要电流的变化率不是太大，就可以使用固定频率的自归零放大器，效果极佳。

通常希望将信号带宽限制在所需的最低值，因为这可以最大限度地减少斩波时钟噪声的影响，也可以最小化总噪声。请记住，自稳零放大器的总电压噪声与信号带宽的平方根成正比（EN= eN× √BW）。通过添加与反馈电阻并联的可选电容（C），可以创建一个简单的低通滤波器。放大电压电平下的额外增益和滤波可以通过使用普通放大器的附加级提供。凭借其高开环增益，自稳零放大器可以轻松提供100×至1000×的闭环增益，允许在下一级使用具有几毫伏失调和相当高电压噪声的廉价CMOS放大器，而不会牺牲系统精度。如果放大器的增益带宽除以级增益小于斩波时钟频率的一半，则对自稳零放大器使用高级增益也会给滤波器滚降增加一个额外的极点。但是，滤波器性能会受到放大器之间GBW变化的影响。

如果信号频率超过斩波时钟频率的一半左右，则可以使用具有伪随机时钟速率的自稳零放大器类型，例如AD8571。在这种情况下，由于宽带噪声略高，带宽较高，最大整体精度将略有下降;但斩波时钟在时钟频率处不会产生较大的误差项，IMD的影响将最小化。

应变桥： 另一种常见的应用是应变桥，其中低偏移和相关低频性能有助于实现宽动态范围。这些电桥用于力和压力传感器以及电子秤，即使在满量程时，通常也能产生相对较小的输出电压电平。在本例中，四通道AD8554中的四个放大器中的三个用于激励和差分放大（见图2）。满量程输出可能是几十毫伏。在这种情况下，自稳零放大器的极低失调电压对测量信号的误差最小。电子秤的长采样时间得益于没有1/f噪声。放大器的低长期漂移也最大限度地减少或消除了重新校准要求。

图2.单电源应变计桥式放大器

压力传感器系统通常需要线性化以产生准确的输出值，因此受益于低失调和漂移。特性良好的传感器可以缩放和线性化，而不必担心与放大器的相互作用，因为增加的放大器误差项可以忽略不计。低输入偏置电流也允许使用更高的电桥阻抗;这可以显著改善便携式或环路供电应用中的系统功耗，因为对于相同的输出范围，电桥激励电流可能要低得多。较低的电桥激励电流还最大限度地减少了电桥自发热引起的误差。大多数应变桥应用本质上都是低频的，因此固定频率自稳零放大器的有限有用带宽不是问题。通过使用随机时钟的自稳零放大器，可以适应使用具有更高频率输出或交流激励的电桥。

红外（IR）传感器，特别是热电堆，越来越多地用于温度测量，应用范围广泛，如汽车气候控制、人耳温度计、家庭绝缘分析和汽车维修诊断。传感器相对较小的输出信号需要高增益和极低的失调电压和漂移，以避免直流误差。如果使用级间交流耦合（图3），低失调和漂移可防止输入放大器的输出漂移到接近饱和。低输入偏置电流从传感器的输出阻抗产生最小的误差。与压力传感器一样，放大器随时间和温度的漂移非常低，消除了校准温度测量后的额外误差。低 1/f 噪声可改善在通常超过 1/5 秒的时间段内进行直流测量的 SNR。图3显示的放大器可将100至300微伏的交流信号提升至1至3 V电平。

图3.用于热电堆的高输入阻抗交流耦合前置放大器

精密基准电压源（图4）：低压系统中的精密基准电压源IC可能缺乏处理所有工作的灵活性。例如，（a）它们可能需要低压差，或（b）它们可能必须处理源极和灌电流负载电流，或（c）使用它们的系统可能只需要一个负基准电压源以及正基准电压源。凭借极低的失调和漂移、输出驱动能力以及有源反馈的使用，自稳零放大器与精密基准电压源相结合，可以为这些问题提供有效的解决方案。

图4.精密放大器增强了精密基准电压源的灵活性

以上只是一些想法，表明自动归零放大器的广泛适用性。几乎任何在中等信号带宽下处理小输入信号和宽动态范围的应用都值得考虑使用自稳零放大器来改善性能。经过校准且必须在不维护的情况下长时间保持性能的系统也将受益。任何需要严格通道间直流性能匹配的应用也是候选应用。高增益自归零放大器的直流误差贡献非常小，以至于使用多通道甚至单通道器件不会显著降低多个输入通道的匹配性能。多个器件（双通道和四通道）也有助于匹配的低频交流输入。

是呢环保局：郭婷