作者：Eric Nolan and Reza Moghimi

本文由兩部分組成，第1部分介紹了自穩(wěn)零放大器的工作原理，并確定了它們的重要特性。正如所承諾的，本期將討論一些特別適合自穩(wěn)零放大器的應(yīng)用思路

應(yīng)用自穩(wěn)零放大器與應(yīng)用任何運(yùn)算放大器沒有太大區(qū)別。大多數(shù)新設(shè)計(jì)具有與任何其他放大器相同的引腳排列和功能。直流閉環(huán)增益由電阻以相同的方式設(shè)置;過濾、集成等功能也可以用同樣的方式完成。在大多數(shù)應(yīng)用中，主要對(duì)策是限制帶寬，以從通帶中排除斬波噪聲和IMD偽影。對(duì)于具有固定斬波器頻率的自動(dòng)歸零放大器，這通常將其應(yīng)用限制在低于1或2 kHz的直流或低頻信號(hào)上。

精密分流器：精密分流電流傳感器得益于差分配置中使用的自動(dòng)歸零放大器的一些獨(dú)特屬性（圖 1）。分流傳感器用于反饋控制系統(tǒng)的精密電流源。它們還用于各種其他應(yīng)用，包括電池電量計(jì)、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向中的扭矩反饋控制和精確功率計(jì)量。

圖1.分流放大器

在此類應(yīng)用中，需要使用電阻非常低的分流器來最小化串聯(lián)壓降;這最大限度地減少了功率浪費(fèi)，并允許測(cè)量大電流而不會(huì)產(chǎn)生明顯的壓降。典型的分流器可能為 0.1 W。在1+安培的測(cè)量電流值下，分流器的輸出信號(hào)為數(shù)百毫伏甚至伏特，放大器誤差源并不重要。然而，在1 mA范圍內(nèi)的低測(cè)量電流值下，分流器的100 μV輸出電壓需要非常低的失調(diào)電壓和漂移才能保持絕對(duì)精度。還需要低輸入偏置電流，以便“注入”偏置電流不會(huì)成為測(cè)量電流的顯著百分比。高開環(huán)增益、CMR 和 PSR 都有助于保持整體電路精度。只要電流的變化率不是太大，就可以使用固定頻率的自歸零放大器，效果極佳。

通常希望將信號(hào)帶寬限制在所需的最低值，因?yàn)檫@可以最大限度地減少斬波時(shí)鐘噪聲的影響，也可以最小化總噪聲。請(qǐng)記住，自穩(wěn)零放大器的總電壓噪聲與信號(hào)帶寬的平方根成正比（EN= eN× √BW）。通過添加與反饋電阻并聯(lián)的可選電容（C），可以創(chuàng)建一個(gè)簡(jiǎn)單的低通濾波器。放大電壓電平下的額外增益和濾波可以通過使用普通放大器的附加級(jí)提供。憑借其高開環(huán)增益，自穩(wěn)零放大器可以輕松提供100×至1000×的閉環(huán)增益，允許在下一級(jí)使用具有幾毫伏失調(diào)和相當(dāng)高電壓噪聲的廉價(jià)CMOS放大器，而不會(huì)犧牲系統(tǒng)精度。如果放大器的增益帶寬除以級(jí)增益小于斬波時(shí)鐘頻率的一半，則對(duì)自穩(wěn)零放大器使用高級(jí)增益也會(huì)給濾波器滾降增加一個(gè)額外的極點(diǎn)。但是，濾波器性能會(huì)受到放大器之間GBW變化的影響。

如果信號(hào)頻率超過斬波時(shí)鐘頻率的一半左右，則可以使用具有偽隨機(jī)時(shí)鐘速率的自穩(wěn)零放大器類型，例如AD8571。在這種情況下，由于寬帶噪聲略高，帶寬較高，最大整體精度將略有下降;但斬波時(shí)鐘在時(shí)鐘頻率處不會(huì)產(chǎn)生較大的誤差項(xiàng)，IMD的影響將最小化。

應(yīng)變橋： 另一種常見的應(yīng)用是應(yīng)變橋，其中低偏移和相關(guān)低頻性能有助于實(shí)現(xiàn)寬動(dòng)態(tài)范圍。這些電橋用于力和壓力傳感器以及電子秤，即使在滿量程時(shí)，通常也能產(chǎn)生相對(duì)較小的輸出電壓電平。在本例中，四通道AD8554中的四個(gè)放大器中的三個(gè)用于激勵(lì)和差分放大（見圖2）。滿量程輸出可能是幾十毫伏。在這種情況下，自穩(wěn)零放大器的極低失調(diào)電壓對(duì)測(cè)量信號(hào)的誤差最小。電子秤的長(zhǎng)采樣時(shí)間得益于沒有1/f噪聲。放大器的低長(zhǎng)期漂移也最大限度地減少或消除了重新校準(zhǔn)要求。

圖2.單電源應(yīng)變計(jì)橋式放大器

壓力傳感器系統(tǒng)通常需要線性化以產(chǎn)生準(zhǔn)確的輸出值，因此受益于低失調(diào)和漂移。特性良好的傳感器可以縮放和線性化，而不必?fù)?dān)心與放大器的相互作用，因?yàn)樵黾拥姆糯笃髡`差項(xiàng)可以忽略不計(jì)。低輸入偏置電流也允許使用更高的電橋阻抗;這可以顯著改善便攜式或環(huán)路供電應(yīng)用中的系統(tǒng)功耗，因?yàn)閷?duì)于相同的輸出范圍，電橋激勵(lì)電流可能要低得多。較低的電橋激勵(lì)電流還最大限度地減少了電橋自發(fā)熱引起的誤差。大多數(shù)應(yīng)變橋應(yīng)用本質(zhì)上都是低頻的，因此固定頻率自穩(wěn)零放大器的有限有用帶寬不是問題。通過使用隨機(jī)時(shí)鐘的自穩(wěn)零放大器，可以適應(yīng)使用具有更高頻率輸出或交流激勵(lì)的電橋。

紅外（IR）傳感器，特別是熱電堆，越來越多地用于溫度測(cè)量，應(yīng)用范圍廣泛，如汽車氣候控制、人耳溫度計(jì)、家庭絕緣分析和汽車維修診斷。傳感器相對(duì)較小的輸出信號(hào)需要高增益和極低的失調(diào)電壓和漂移，以避免直流誤差。如果使用級(jí)間交流耦合（圖3），低失調(diào)和漂移可防止輸入放大器的輸出漂移到接近飽和。低輸入偏置電流從傳感器的輸出阻抗產(chǎn)生最小的誤差。與壓力傳感器一樣，放大器隨時(shí)間和溫度的漂移非常低，消除了校準(zhǔn)溫度測(cè)量后的額外誤差。低 1/f 噪聲可改善在通常超過 1/5 秒的時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行直流測(cè)量的 SNR。圖3顯示的放大器可將100至300微伏的交流信號(hào)提升至1至3 V電平。

圖3.用于熱電堆的高輸入阻抗交流耦合前置放大器

精密基準(zhǔn)電壓源（圖4）：低壓系統(tǒng)中的精密基準(zhǔn)電壓源IC可能缺乏處理所有工作的靈活性。例如，（a）它們可能需要低壓差，或（b）它們可能必須處理源極和灌電流負(fù)載電流，或（c）使用它們的系統(tǒng)可能只需要一個(gè)負(fù)基準(zhǔn)電壓源以及正基準(zhǔn)電壓源。憑借極低的失調(diào)和漂移、輸出驅(qū)動(dòng)能力以及有源反饋的使用，自穩(wěn)零放大器與精密基準(zhǔn)電壓源相結(jié)合，可以為這些問題提供有效的解決方案。

圖4.精密放大器增強(qiáng)了精密基準(zhǔn)電壓源的靈活性

以上只是一些想法，表明自動(dòng)歸零放大器的廣泛適用性。幾乎任何在中等信號(hào)帶寬下處理小輸入信號(hào)和寬動(dòng)態(tài)范圍的應(yīng)用都值得考慮使用自穩(wěn)零放大器來改善性能。經(jīng)過校準(zhǔn)且必須在不維護(hù)的情況下長(zhǎng)時(shí)間保持性能的系統(tǒng)也將受益。任何需要嚴(yán)格通道間直流性能匹配的應(yīng)用也是候選應(yīng)用。高增益自歸零放大器的直流誤差貢獻(xiàn)非常小，以至于使用多通道甚至單通道器件不會(huì)顯著降低多個(gè)輸入通道的匹配性能。多個(gè)器件（雙通道和四通道）也有助于匹配的低頻交流輸入。

是呢環(huán)保局：郭婷