零漂运算放大器使用斩波、自稳定零或这两种技术的组合来消除不必要的低频误差源,如不平衡和1/f噪声。一般来说,这些放大器仅在低带宽应用程序中使用,因为它们在频率高的时候会生成毛坯。考虑反射、毛刺、交互失真(IMD)等高频误差设计系统,宽带解决方案可以利用零漂移运算放大器的出色直流性能。

零漂移技术

1、斩波背景

的第一个零漂技术是通过将误差调整到较高频率,将不平衡和低频噪音与信号内容分离开来的斩波。

图1示出了(B)参波如何将输入信号(蓝色波形)调制为方波,在放大器中处理该信号,然后(C)将输出结束信号调整回直流。与此同时,放大器的低频误差(红色波形)在(C)输出端调整为方波,然后通过(D)低通滤波器(LPF)进行滤波。

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图1。(a)位于输入端、(b) V1、(c) V2和(d) VOUT端的信号(蓝色)和误差(红色)的时域波形

同样,在频域中,输入信号(图2中的蓝色信号)被(b)调制为斩波频率,fCHOP在增益级处理,(c)从输出端调整回DC,(d)通过LPF。放大器的不平衡和噪声源(图2中的红色信号)在DC频率下通过增益级处理,(C)在输出斩波开关上调制到fCHOP,最后由LPF滤波器过滤。由于方波调制,调制发生在调制频率奇数的数倍附近。

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图2。(a)输入、(b) V1、(c) V2和(d)位于VOUT末端的信号(蓝色)和误差(红色)的频域频谱

从频域和时域图中可以看出,LPF不是理想的砖墙过滤器,因此,调节噪声和不平衡会产生一些残余误差。

2、自我稳定零背景。

第二种零点漂移技术————自稳定零点3354度动态补偿技术,其工作方式是从放大器中采样和消除低频误差源。

图3示出了基本自稳定零放大器的示例。由具有不平衡和噪音的放大器、重新配置输入和输出的开关、自稳定零采样电容组成。

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图3。基本自稳定零放大器

在自稳定0阶段(1)中,电路的输入缩短到公共电压,自0电容器采样输入不平衡电压和噪音。在这个阶段,放大器不能用于放大信号。为了使放大器连续工作,必须错开两个相同的通道。这被称为往复式自身稳定剂。

在放大阶段(2)输入输入连接信号路径后,可以使用放大器放大信号。低频噪声、不平衡和漂移用自身稳定剂消除,剩余误差是误差的当前值和以前值之间的差异。低频误差源从1到2变化不大,所以这种减法效果很好。另一方面,高频噪声混杂在基带中,从而增加背景白噪声,如图4所示。

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图4。噪音PSD:斩波或自稳定0之前、0之后、斩波之后、斩波和自稳定0之后

由于需要额外的通道来支持噪声折叠和连续操作,因此对于独立运算放大器来说,斩波可能是更有效的零点漂移技术2。

3、斩波相位

斩波器能很好地消除不必要的偏移、漂移和1/f噪音,但会生成不必要的交流毛坯,如输出纹波和毛刺。ADI最近的零漂产品采取了措施,减少了这些伪影,并将其放置在更高的频率上,以方便系统级别的过滤。

4、纹波相位

斩波调制技术将低频误差转移到超短波频率的奇数谐波,因此纹波是这项技术的结果。放大器设计者使用多种方法来减少纹波的影响:

l生产不平衡微调:可以进行一次性初始微调,大大减少标称不平衡,但不平衡漂移和1/f噪声仍然存在。

l斩波与磁稳零结合:放大器首先稳定0,然后运行斩波,将增强的噪声频谱密度(NSD)调制到更高的频率。图4示出了超珀和0后获得的噪声频谱。

L自动补偿反馈(ACFB):使用本地反馈环路检测输出端的调制反射,并消除该源中的低频错误。

5、仿冒毛刺

毛刺是斩波开关电荷注入不一致引起的暂时性高峰。这些毛刺的大小取决于多种因素,包括源阻抗和电荷不匹配量。毛刺刺钉不仅会在斩波频率的偶尔多次谐波中引起毛坯,还会引起与斩波频率成比例的剩余直流不平衡。图5(左)显示了图1的V1(斩波器开关内部)和V2(输出斩波器开关之后)中这些尖刺的外观。如图5(右)所示,在斩波频率的偶数像差谐波处的附加毛刺毛坯是由有限的放大器带宽引起的。

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图5。(左)图1中的V1(斩波开关内部)和V2(斩波开关外部)的电荷注入引起的毛刺电压(右)图1中的V1和V2中的有限放大器带宽引起的毛刺

和纹波一样,放大器设计师也有减少零漂放大器毛刺影响的技术。

l电荷注入微调:通过将可调电荷注入斩波放大器的输入端,可以补偿电荷不一致,从而减少运算放大器输入端的输入电流量。

l多通道斩波器:这不仅可以减少毛刺振幅,还可以移动到更高的频率,使滤波变得更加容易。这种技术比单纯在更高的频率上进行斩波更频繁地制造刺,但宽度更小。图6将典型的零漂放大器与ADA4522进行了比较。ADA 4522使用了这一技术,大大减少了毛刺的影响。

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图6。ADA4522的电压尖峰减少到背景噪音

综上所述,图7示出了包括以下内容的斩波放大器的输出电压:

这是由纹波、超频率的几倍的上调制不平衡和1/f噪音引起的。

毛刺、斩波开关的电荷注入不一致和有限放大器带宽发生在斩波频率的偶倍数上。

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图7。斩波放大器毛坯(包括调制纹波和电荷注入器)

:在

系统级考虑因素

数据采集解决方案中使用零漂放大器时,了解频率毛坯的位置并相应地制定计划至关重要。

1、在数据手册中查找斩波器频率。

数据手册一般会明确说明斩波频率,但通过查看噪声频谱可以确认斩波频率。ADI最新的零漂放大器的数据手册显示了毛坯在光谱中发生的位置。

ADA4528数据手册不仅在“应用程序信息”部分清楚地说明了200kHz的斩波频率,在图8所示的噪声密度曲线中也可以清楚地看到。

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图8。ADA4528的噪声密度曲线

在ADA4522数据手册的“工作原理”部分,斩波频率为4.8MHz,不平衡和纹波补偿环路以800kHz运行。图9显示了ADA4522的噪声密度。单位增益时,环路的相位裕量较低,因此6MHz也有噪声突出。这不仅仅是零漂移放大器。

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图9。ADA4522的噪声密度曲线

请记住,数据手册中描述的频率是一般数字,可能会因设备而异。因此,如果系统需要两个斩波放大器来调节差分信号,请使用双通道放大器。两个单通道放大器的斩波频率可能略有不同,因此可以相互作用,从而引发额外的IMD。

2、输入源阻抗匹配

与输入源阻抗交互的瞬态电流毛刺由于差分电压误差,可能会在斩波频率的倍数上产生额外的伪影。图10示出了源电阻不一致时ADA4522的噪声密度曲线(下)。为了解决这个潜在的错误源,系统设计师必须在斩波放大器的每个输入中确认相同的阻抗(顶部)。

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图10。ADA4522的噪音:输入源电阻匹配(顶部)和不匹配(底部)

3、IMD和嵌套工件

使用斩波放大器时,输入信号与斩波频率fCHOP混合,从而实现Fin FCHOP、Fin 2F CHOP、2F In FCHOP……。可以在中生成IMD。这些IMD产品可能出现在大象波段,特别是当fIN接近超频率时。要解决这个问题,必须选择比输入信号带宽大得多的斩波频率的零漂移放大器,并在此放大器水平之前过滤接近fCHOP的频率的干扰信号。

使用ADC采样放大器输出时,斩波毛坯也可能重叠。图11示出了ADC采样时毛刺频率重叠的IMD产品的示例。这些IMD产品依赖于毛刺和波纹振幅,并且可能会因设备而异。设计信号链时,必须在ADC前使用抗锯齿过滤器来减少IMD。

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图11。ADC对BER采样,并在F SAMPLE2F CHOP中产生重叠的IMD示例。

4、斩波仿滤波器

在系统层处理这些高频毛坯的最有效方法是过滤。零漂放大器和ADC之间的LPF减少斩波毛坯,防止重叠。因此,具有更高斩波频率的放大器可以缓解对LPF的要求,支持更大范围的信号带宽。

例如,图13示出了ADA4522如何使用图12所示的各种技术来减少斩波毛坯的效果,包括闭环增益增强、后滤波器、电容器和反馈电阻并行使用。

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图12。配置过滤伪影的放大器

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图13。ADA4522 NSD,使用顶部所示的第一次滤波方法: (左)增加增益将减少放大器带宽,滤波器将过滤噪声峰值。(右)使用RC过滤器。

根据系统对频带抑制的要求,可能需要更高级别的源滤波器。ADI有很多资源可以帮助您设计过滤器,包括多反馈过滤器教程和在线过滤器设计工具。

了解斩波毛坯发生的频率有助于制作必要的滤镜。表1显示了零漂移放大器引起的交流毛坯的位置。

表1。交流斩波伪影位置综述

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结论

系统设计师通过了解零漂放大器的高频毛坯,可以将零漂放大器用于更广泛的宽带应用。系统设计注意事项包括:

零漂移放大器输入的源输入阻抗必须匹配

利用双通道放大器进行差分信号调理

数据手册噪声谱中查找毛坯的频率

设计滤波器,减少动态降不平衡技术对高频毛坯的影响。

了解频域中的高频伪影,制定合理的计划。

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关于ADI公司

analog devices,Inc. (Nasdaq: ADI)在现代数字经济的中心发挥着重要作用,通过多种模拟和混合信号、电源管理、RF、数字和检测技术,ADI将实际现象转化为行动的有意义洞察,面向世界各地12.5万名客户。ADI的总部设在马萨诸塞州威明顿。

关于作者

Simon Basilico是位于加利福尼亚州圣克拉拉市的精密信号链部门的设计工程师。Simon的工作重点是精密信号链,包括集成混合信号设计和系统级封装解决方案。他毕业于斯坦福大学,获得电气工程学士学位和硕士学位后,于2015年加入ADI。

-高带宽应用中零漂放大器的使用方法

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