簡史
斬波放大器已誕生幾十年了，追溯起來將近有60年。斬波放大器的發(fā)明是為了滿足極低失調(diào)、低漂移運(yùn)放的需要。在那時(shí)，斬波放大器的性能比雙極型運(yùn)放優(yōu)越。原始斬波放大器的輸入和輸出由開關(guān)控制（或斬波），對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，校正失調(diào)誤差，然后在輸出時(shí)解調(diào)。該技術(shù)可確保失調(diào)電壓和漂移很低，但也有其局限。由于要對(duì)放大器的輸入進(jìn)行采樣，因此輸入信號(hào)的頻率必須低于斬波頻率的一半，以避免混疊。除了帶寬限制外，斬波操作還會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)顯著毛刺，需要在輸出端進(jìn)行濾波，以濾除所造成的紋波。
作為下一代自校正放大器代表的斬波穩(wěn)態(tài)運(yùn)放使斬波放大器的性能獲得了極大改進(jìn)。該架構(gòu)使用了兩個(gè)放大器：“主”放大器和“調(diào)零”放大器，如圖1所示。調(diào)零放大器通過將輸入端短路并對(duì)其自身的調(diào)零引腳施加校正信號(hào)來校正其自身的失調(diào)誤差，隨后監(jiān)視并校正主放大器的失調(diào)。因?yàn)橹鞣糯笃魇冀K連接到IC的輸入和輸出，因此輸入信號(hào)的帶寬由主放大器的帶寬決定，而不再取決于斬波頻率。這一特性使該架構(gòu)相對(duì)于早期的斬波放大器有很大的優(yōu)勢(shì)。開關(guān)操作造成的電荷注入仍是個(gè)問題，這可能導(dǎo)致信號(hào)瞬變，并且注入的電荷會(huì)與輸入信號(hào)耦合，造成互調(diào)失真。
圖1簡化的斬波穩(wěn)態(tài)功能框圖
自動(dòng)調(diào)零架構(gòu)在概念上與斬波穩(wěn)態(tài)放大器相似，即有一個(gè)調(diào)零放大器和一個(gè)主放大器。但是，經(jīng)過了多年的重大改進(jìn)，目前自動(dòng)調(diào)零架構(gòu)的噪聲、電荷注入和其他與斬波穩(wěn)態(tài)運(yùn)放相關(guān)的性能問題都被降到了最小的程度。不同的制造商使用不同術(shù)語定義該架構(gòu)，例如，“自動(dòng)調(diào)零”、“自動(dòng)相關(guān)調(diào)零”以及“零漂移”。無論術(shù)語如何表達(dá)，基本的底層架構(gòu)都是相同的。
自動(dòng)調(diào)零架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)
如上所述，自動(dòng)調(diào)零架構(gòu)會(huì)持續(xù)地自校正放大器的失調(diào)電壓誤差。這就形成了相對(duì)于傳統(tǒng)運(yùn)放的幾個(gè)獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。
1 低失調(diào)電壓
調(diào)零放大器持續(xù)地消除其自身的失調(diào)電壓，然后對(duì)主放大器施加校正信號(hào)。該校正信號(hào)的頻率取決于實(shí)際的設(shè)計(jì)，但通常每秒發(fā)生幾千次。例如，Microchip Technology的MCP6V01自動(dòng)調(diào)零放大器每100μs校正一次主放大器，即每秒一萬次。這種持續(xù)校正可確保極低的失調(diào)電壓，比傳統(tǒng)運(yùn)放低得多。此外，校正失調(diào)電壓的過程還會(huì)校正其他直流規(guī)范，例如電源抑制和共模抑制。因此，自動(dòng)調(diào)零放大器能實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)放大器更優(yōu)異的抑制能力。
2 溫度和時(shí)間漂移低
所有放大器，無論其工藝技術(shù)和架構(gòu)如何，都會(huì)隨溫度和時(shí)間變化產(chǎn)生失調(diào)電壓。多數(shù)運(yùn)放用V/℃來描述該失調(diào)的溫度漂移。該漂移在不同放大器間可能差別很大。對(duì)于傳統(tǒng)放大器，通常介于幾到幾十μV/℃之間，這在高精度應(yīng)用中可能是個(gè)大問題；和初始失調(diào)誤差不同，該漂移無法用一次性系統(tǒng)校正來消除。
除了溫度漂移外，放大器的失調(diào)電壓也會(huì)隨著時(shí)間而改變。對(duì)于傳統(tǒng)運(yùn)放，該時(shí)間漂移（有時(shí)稱為累增）通常不會(huì)在數(shù)據(jù)手冊(cè)中指出，但它會(huì)在器件的整個(gè)使用壽命中產(chǎn)生顯著的誤差。
自動(dòng)調(diào)零架構(gòu)固有的特性，使它能通過持續(xù)地自校正失調(diào)電壓，盡可能減少溫度漂移和時(shí)間漂移。這樣，自動(dòng)調(diào)零放大器相比傳統(tǒng)運(yùn)放在漂移性能方面有顯著改善。例如，前面提到的MCP6V01運(yùn)放的最大溫度漂移只有50nV/℃。
3 消除1/f噪聲
1/f噪聲又名閃爍（flicker）噪聲，是由傳導(dǎo)路徑的不規(guī)則性和晶體管內(nèi)偏置電流造成的噪聲而引起的低頻現(xiàn)象。在較高的頻率上，1/f噪聲可忽略不計(jì)，因?yàn)槠渌麃碓吹陌自肼曢_始占據(jù)主導(dǎo)地位。如果輸入信號(hào)近乎直流信號(hào)（如來自應(yīng)變計(jì)、壓力傳感器和熱電偶等的輸出），該低頻噪聲將是個(gè)大問題。
在基于自動(dòng)調(diào)零的放大器中，1/f噪聲在失調(diào)校正的過程中被濾除了。由于該噪聲源出現(xiàn)在輸入端，并且噪聲信號(hào)變化相對(duì)較慢，因此可認(rèn)為是放大器失調(diào)的一部分，能相應(yīng)地得到補(bǔ)償。
4 低偏置電流
偏置電流就是流入放大器輸入偏置輸入晶體管的總電流。該電流的強(qiáng)度可在μA級(jí)別到pA級(jí)別不等，很大程度上取決于放大器輸入電路的架構(gòu)。當(dāng)將高阻抗傳感器連接到放大器輸入時(shí)，該參數(shù)變得極為重要。偏置電流流經(jīng)該高阻抗傳感器時(shí)，傳感器上會(huì)產(chǎn)生壓降，導(dǎo)致電壓誤差。對(duì)于這些應(yīng)用，就需要低偏置電流。
實(shí)際上，現(xiàn)今市場(chǎng)上的所有自動(dòng)調(diào)零放大器均采用CMOS輸入級(jí)，可產(chǎn)生很低的偏置電流。但是，來自內(nèi)部開關(guān)的注入電荷會(huì)使偏置電流略高于更傳統(tǒng)的CMOS輸入運(yùn)放。
5 靜態(tài)電流
對(duì)于電池供電的應(yīng)用，靜態(tài)電流是個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。由于調(diào)零放大器和支持自校正自動(dòng)調(diào)零架構(gòu)所需的其他電路，在帶寬和壓擺率給定的情況下，自動(dòng)調(diào)零放大器通常會(huì)比傳統(tǒng)放大器消耗更多的靜態(tài)電流。已對(duì)此進(jìn)行了重大改進(jìn)以提高該架構(gòu)的效率。部分運(yùn)放（例如， MCP6V03）提供片選或關(guān)斷引腳，以便在器件不工作時(shí)盡可能減小靜態(tài)電流。
應(yīng)用示例：便攜式口袋秤
以上指出了自動(dòng)調(diào)零架構(gòu)有助于提高放大器性能的幾個(gè)參數(shù)。下面將探討使用應(yīng)變計(jì)的應(yīng)用示例，它會(huì)突顯出自動(dòng)調(diào)零放大器的部分優(yōu)勢(shì)。
便攜秤是被廣受用于稱量如貴金屬、珠寶和藥物等小物件的設(shè)備。這些設(shè)備用電池供電，通常需要達(dá)到1/10g的精度，甚至更高。因此，該應(yīng)用需要對(duì)用于稱重的應(yīng)變計(jì)進(jìn)行高精度而低功耗的信號(hào)調(diào)理。
應(yīng)變計(jì)使用電阻來測(cè)定各外力造成的應(yīng)變量。有幾類不同的應(yīng)變計(jì)，最常見的是金屬應(yīng)變計(jì)。此類應(yīng)變計(jì)金屬線或小片金屬箔組成。施力時(shí)，應(yīng)變計(jì)上應(yīng)力（或正或負(fù)）的改變會(huì)導(dǎo)致應(yīng)變計(jì)電阻改變。隨后通過測(cè)量電阻的變化量即可獲知所施加的力的大小。通常將一個(gè)或多個(gè)應(yīng)變計(jì)以惠斯通電橋的方式連接，因?yàn)檫@種電路能提供優(yōu)異的靈敏度。電阻值的改變是很小的，因此惠斯通電橋電路的總電壓輸出也很小。對(duì)于本例，我們假定輸出滿量程電壓為10mV。
圖2是用于分析該應(yīng)用的一個(gè)簡化電路。請(qǐng)注意，該電路并非用于完整表示實(shí)際的電路，而是經(jīng)過簡化來展示自動(dòng)調(diào)零架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。例如，惠斯通電橋電路的輸出應(yīng)經(jīng)過緩沖以提供高阻抗輸入，但以下電路圖并未顯示緩沖電路。在該電路中，放大器的差動(dòng)增益被配置為500，因此理想狀態(tài)下惠斯通電橋的滿量程輸出可經(jīng)過放大器變?yōu)?V輸出。
圖2 簡化的應(yīng)用電路
由于該應(yīng)用需要大增益，因此放大器的失調(diào)電壓很關(guān)鍵。放大器造成的任何電壓失調(diào)，都會(huì)被增益放大。例如，MCP606是一個(gè)CMOS運(yùn)放，其內(nèi)帶有一個(gè)非易失性存儲(chǔ)器以減小輸入失調(diào)電壓，在這種情況下，室溫時(shí)的最大失調(diào)電壓為250μV（室溫下）的最大失調(diào)。
在該應(yīng)用中，MCP606的最大失調(diào)誤差可在放大器輸出端形成125mV的誤差，即滿量程的2.5%。讓我們將它與MCP6V01自動(dòng)調(diào)零放大器比較，后者的最大失調(diào)僅有2μV（室溫下）。該失調(diào)將在放大器輸出端產(chǎn)生1 mV的最大誤差，它只是滿量程輸出的0.02%。
自動(dòng)調(diào)零架構(gòu)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是時(shí)間漂移和溫度漂移都比較低。本例假定便攜秤的工作溫度范圍是0～50℃。MCP606的溫度漂移規(guī)定為1.8μV/℃。由于該溫度范圍造成的漂移誤差可達(dá)90μV，后者又會(huì)被電路增益放大，導(dǎo)致在放大器輸出端出現(xiàn)額外的45 mV的誤差。而另一方面，MCP6V01規(guī)定的最大漂移僅為50nV/℃。因此，該應(yīng)用的漂移誤差在放大器電路輸出端僅為1.25mV，比MCP606放大器的性能強(qiáng)30多倍。
如前所述，1/f噪聲可能是低頻應(yīng)用（如文本所述的稱重應(yīng)用）的一個(gè)限制因素。MCP606運(yùn)放展示了典型的1/f噪聲頻譜，轉(zhuǎn)折頻率約為200Hz。從這點(diǎn)開始，1/f噪聲開始占據(jù)主導(dǎo)地位，導(dǎo)致電壓噪聲密度在1Hz下遠(yuǎn)高于200nV/√Hz。MCP6V01運(yùn)放由于其自校正自動(dòng)調(diào)零架構(gòu)，不會(huì)顯示該1/f噪聲，它在低頻下保持為常數(shù)。對(duì)于稱重應(yīng)用，測(cè)壓元件的輸出是一個(gè)變化很慢的信號(hào)，因此1/f噪聲是很關(guān)鍵的因素。