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零漂移
传感器产生的输出电压通常很低,需要通过具有高增益、低噪声和精密直流性能的信号调理电路进行调理。然而,失调电压、漂移和1/f噪声会引起误差,尤其会影响直流或低频、低电平电压测量。这些直流不精确性被电路增益级放大后,会导致输出电压偏移。因此,必须最大程度地降低失调电压和漂移,消除1/f噪声,利用零漂移放大器可以实现最佳的信号调理。
零漂移放大器可以采用不同的技术来设计:自稳零、斩波或二者之组合。每种技术都有其优缺点,适合不同的应用。自稳零使用采样保持技术,由于噪声折回基带,其带内电压噪声较大。斩波使用信号调制和解调技术,基带噪声较低,但在斩波频率及其谐波处会产生噪声能量谱。为了降低低频噪声和斩波频率处的噪声能量,可以综合使用这两种技术。
斩波放大器更适合直流或低频应用,自稳零放大器则更适合宽带宽应用。综合运用自稳零和斩波技术的零漂移放大器适用于宽带宽和低噪声应用。然而,最新推出的零漂移放大器ADA4528-1采用创新斩波技术,实现了更高的斩波频率(200KHz)、更低的失调电压、漂移和噪声。这些特性使它能够用在传统斩波放大器无法使用的宽带宽应用。
零漂移放大器设计技术已经取得了多项突破。最近,ADI公司为一种新型斩波技术申请了专利,它利用一个称为自动校正反馈(ACFB)的本地反馈环路来消除失调电压。该反馈环路有助于实现更低的失调电压和漂移,从而防止在整个输出中出现电压纹波。其简化框图如图1所示。它由一条带自动校正反馈(ACFB)功能的高直流增益路径和一条高频前馈路径并联而成。输入基带信号最初由输入斩波开关网络CHOP1调制。然后,输出斩波开关网络CHOP2解调输入信号,并将跨导放大器Gm1的初始失调和1/f噪声调制到斩波频率。在ACFB环路中,初始失调和1/f噪声由斩波网络CHOP3解调到直流域,经过陷波
1/f噪声又称闪烁噪声,是半导体器件的固有特性,随着频率降低而提高。因此,它是直流或低频时的主要噪声。放大器的1/f转折频率是指闪烁噪声与宽带噪声相等时的频率。图2显示了一个非零漂移放大器的电压噪声密度示例,其1/f转折频率为800Hz。对于直流或低频应用,1/f噪声是主要的噪声源,如果被电路噪声增益放大,它会产生显着的输出电压噪声。另一方面,零漂移放大器对该电压噪声进行整形,以便消除1/f噪声。由于1/f噪声表现为缓慢变化的失调量,因此能被斩波技术有效消除。当噪声频率接近DC时,校正变得更加有效,噪声随着频率降低而指数式提高的倾向得以消除。因此,比起标准型低噪声放大器,零漂移放大器的0.1Hz至10Hz电压噪声通常低的多,因为标准型低噪声放大器的0.1Hz至10Hz电压噪声易受1/f噪声的影响。图3显示了一个无1/f电压噪声的零漂移放大器的电压噪声密度。
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