每当提到自动调零或斩波稳定放大器时，不可避免的第一个问题是“它们到底是如何工作的?”除了对这些设备的内部工作原理感到好奇之外，大多数工程师心中真正的问题可能是:“直流精度看起来令人难以置信，但如果我在我的电路中使用其中一个，我将不得不忍受什么样的奇怪行为?我该如何围绕这些问题进行设计?”本文的第1部分将尝试回答这两个问题。在第2部分(将在下一期中出现)中，将提到一些非常流行和及时的应用程序，以说明这些部件的重要优点以及一些缺点。

斩波放大器-它们是如何工作的

第一个斩波放大器是在50多年前发明的，通过将直流电压转换为交流信号来对抗直流放大器的漂移。最初的实现使用输入信号的开关交流耦合和交流信号的同步解调来在输出处重建直流信号。这些放大器带宽有限，需要后滤波去除斩波动作产生的大纹波电压。

斩波稳定放大器通过使用斩波放大器来稳定留在信号路径中的传统宽带放大器来解决带宽限制(1)。早期的斩波稳定设计只能进行反相操作，因为稳定放大器的输出直接连接到宽带差分放大器的非反相输入。现代IC“斩波”放大器实际上采用自动归零方法，使用类似于斩波稳定方案的两级或多级复合放大器结构。不同之处在于，稳定放大器信号通过一个额外的“零”输入终端连接到宽带或主放大器，而不是一个差分输入。高频信号通过直接连接到主放大器或通过使用前馈技术绕过零级，在宽带宽操作中保持稳定的零。

因此，该技术将直流稳定性和良好的频率响应与逆变和非逆变配置的可及性相结合。然而，它可能产生由高水平数字开关“噪声”组成的干扰信号，从而限制了更宽可用带宽的有效性。它还会引起互调失真(IMD)，看起来像时钟信号和输入信号之间的混叠，在和频和差频处产生错误信号。稍后会详细介绍。

自动归零放大原理

自动归零放大器通常在每个时钟周期中工作两相，如图1a和1b所示。简化电路显示了一个零化放大器(a (a))，一个主(宽带)放大器(a (B))，存储电容器(C(M1)和C(M2))，以及用于输入和存储电容器的开关。组合放大器显示在一个典型的运算放大器增益配置。

在相位A，自动归零相位(图1a)，输入信号单独施加到主放大器(A(B));主放大器的归零输入由存储在电容器C(M2)上的电压提供;零化放大器(A(A))自身自动归零，将其零化电压施加到C(M1)。在B相，取零电压由C(M1)提供，取零放大器将加到主放大器的输入差分电压放大，并将放大后的电压加到主放大器和C(M2)的取零输入。

图1所示 开关设置在自动归零放大器

两个放大器都使用可调运算放大器模型(图2)，具有差分输入和偏置修整输入。

在空化相位(相位a -图1a)，空化放大器的输入一起短路到反相输入端(共模输入电压)。零放大器通过向其零端反馈任何相反的电压，使该电压与零输入的增量增益的乘积近似等于A(A)的输入偏置(V(OS))，从而使其自身固有的偏置电压为零。零电压也加在C(M1)上。同时，主放大器表现得像一个普通的运算放大器，它的零电压由存储在C(M2)上的电压提供。

在输出相位(相位b -图1b)期间，零化放大器的输入端连接到主放大器的输入端。C(M1)现在继续提供零放大器所需的失调校正电压。差分输入信号由零化放大器放大，并由主放大器的零化输入电路的增量增益进一步放大。它也直接被主放大器本身的增益(A(B))放大。运放反馈将导致零化放大器的输出电压为主放大器零化输入所需的任何电压，从而使主放大器的输入差分电压接近零。放大器A(A)的输出也在存储电容C(M2)上留下印象，这将在下一阶段A期间保持所需的电压。

总开环放大器直流增益近似等于零放大器增益与宽带放大器零端增益的乘积。总有效失调电压大约等于主放大器和零放大器失调电压之和，除以主放大器零端增益。该端非常高的增益导致整个放大器的有效失调电压非常低。

当周期返回到零相时，存储在C(M2)上的电压继续有效地校正主放大器的直流偏置。从零到输出相位的周期以内部时钟和逻辑电路设定的速率连续重复。(有关自动归零放大器工作原理的详细信息，请参阅AD8551/AD8552/AD8554或AD8571放大器的数据手册)。

自动归零放大器特性

现在我们已经了解了放大器的工作原理，让我们来研究一下它与“普通”放大器的关系。首先，请注意，关于自动归零放大器的一个常见神话是不真实的:整个放大器的增益带宽乘积与斩波时钟频率无关。虽然斩波时钟频率通常在几百Hz到几kHz之间，但许多最近的自动归零放大器的增益带宽乘积和单位增益带宽是1-3 mhz，甚至可以更高。

从工作描述中可以很容易地推断出一些非常理想的特性:直流开环电压增益，两个放大器增益的乘积，非常大，通常超过1000万，或140 dB。由于大的零端增益对原始放大器偏置的影响，偏置电压非常低。自动归零放大器的典型失调电压在1微伏范围内。低的有效失调电压也会影响失调电压的直流变化相关参数-直流CMR和PSR，通常超过140 dB。由于偏置电压不断“校正”，偏移量随时间的变化非常小，每月只有40-50nV。温度效应也是如此。设计良好的这种类型放大器的偏置温度系数每°C仅为几纳伏!

放大器工作的一个不太明显的后果是低频“1/f噪声”特性。在“正常”放大器中，输入电压噪声谱密度随频率低于“角”频率呈指数反比增长，“角”频率可能在几赫兹到几百赫兹之间。这种低频噪声看起来像是对斩波稳定或自动归零放大器的自动校正电路的偏移误差。当频率接近直流电时，自动校正动作变得更有效。由于自动归零放大器中的高速斩波动作，低频噪声相对平坦地下降到dc(没有1/f噪声!)。这种1/f噪声的缺乏在长采样间隔常见的低频应用中是一个很大的优势。

由于这些器件具有MOS输入，因此偏置电流和电流噪声都非常低。然而，由于同样的原因，宽带电压噪声性能通常是适度的。MOS输入往往有噪声，特别是与精密双极处理放大器相比，后者使用大输入器件来改善匹配，并且通常具有较大的输入级尾电流。器件AD855x放大器的噪声大约是大多数竞争部件的一半。然而，还有改进的空间，一些制造商(包括)已经宣布了未来低噪音自动归零放大器的计划。

当斩波开关打开和关闭时，电荷注入(开关驱动电压进入电容器的电容耦合)发生。这和其他开关效应一起，在斩波时钟频率及其谐波上产生电压和电流的“噪声”瞬态。与放大器的宽带底噪声相比，这些噪声伪影很大;如果它们落在信号路径感兴趣的频带内，它们可能是一个重要的误差源。更糟糕的是，这种开关会导致输出信号的互调失真，在和频和差频处产生额外的误差信号。如果您熟悉采样数据系统，这看起来很像输入信号和时钟信号之间的混叠及其谐波。实际上，放大器在零相和输出相的增益带宽之间的微小差异会导致闭环增益在时钟频率上的细微差异值之间交替。IMD的大小取决于内部匹配，与时钟“噪声”的大小无关。相对于输入信号，IMD和谐波失真产品通常加起来约为-100至-130 dB加上闭环增益(以dB为单位)。您将在下面看到，简单的电路技术可以限制IMD和时钟噪声在带外时的影响。

最近一些具有新颖时钟方案的自动归零放大器设计，包括来自Devices的AD857x系列，已经成功地在很大程度上驯服了这种行为。该系列中的设备通过采用(专利的)扩频时钟技术避免了由单一时钟频率引起的问题，从而导致本质上伪随机的斩波相关噪声。由于在固有开关噪声或“混叠”信号中不再存在单个频率的峰值，因此这些器件可以用于超过标称斩波频率的信号带宽，而不会出现带内大误差信号。这种放大器对于高于几千赫的信号带宽更有用。

最近的一些设备使用了更高的斩波频率，这也可以扩展有用的带宽。然而，这种方法会降低V(OS)性能并增加输入偏置电流(见下文关于电荷注入效应);必须仔细权衡设计的利弊。在设计和布局上非常小心，可以帮助减少开关瞬态。

如上所述，几乎所有单片自动归零放大器都具有MOS输入级，倾向于导致相当低的输入偏置电流。如果存在较大的源阻抗，这是一个非常理想的特性。然而，电荷注入对输入偏置电流行为产生了一些意想不到的影响。

在低温下，栅极漏电流和输入保护二极管漏电流都很低，因此主要的输入偏置电流源是输入mosfet和开关晶体管上的电荷注入。反相和非反相输入端的电荷注入方向相反，因此输入偏置电流具有相反的极性。因此，输入偏置电流大于输入偏置电流。幸运的是，由于电荷注入的偏置电流非常小，在10-20pA的范围内，并且对共模电压相对不敏感。

当器件温度高于40-50℃时，输入保护二极管的反漏电流占主导地位;输入偏置电流随着温度的升高而迅速上升(每增加10°C，泄漏电流大约增加一倍)。泄漏电流在每个输入端具有相同的极性，因此在这些高温下，输入偏置电流小于输入偏置电流。该温度范围内的输入偏置电流强烈依赖于输入共模电压，因为保护二极管上的反向偏置电压随共模电压变化。在保护二极管连接到两个供电轨道的电路中，当共模电压在供电电压范围内摆动时，偏置电流的极性会发生变化。

由于存储电容的存在，许多自动归零放大器需要很长时间才能从输出饱和中恢复(通常称为过载恢复)。对于使用外部电容的电路尤其如此。使用内部电容器的新设计恢复得更快，但仍然需要几毫秒的恢复时间。AD855x和AD8571系列的恢复速度甚至更快，与“普通”放大器的恢复速度大致相同，只需不到100µs。这种比较也适用于开启稳定时间。

最后，由于自动校正功能需要复杂的附加电路，与同类非斩波放大器相比，自动归零放大器在相同水平的交流性能(带宽、摆幅率、电压噪声和稳定时间)下需要更多的静态电流。即使是最低功率的自动归零放大器也需要数百微安的静态电流;它们有一个非常适中的200khz带宽，在1khz时宽带噪声接近150 nV/ÖHz。相比之下，一些标准的CMOS和双极放大器在小于10 μ A的静态电流下提供大约相同的带宽，噪声更低。

应用程序

尽管上面提到的所有差异，应用自动归零放大器实际上与应用任何运算放大器没有太大的不同。在下一期中，本文的第2部分将讨论应用注意事项，并提供在电流分流器，压力传感器和其他应变桥，红外(热电堆)传感器和精密电压参考中的应用示例。

脚注

(1) Edwin Goldberg和Jules Lehmann，美国专利2684999:稳压直流放大器。