【導讀】本文簡短介紹了斬波、自zi穩wen零ling和he零ling漂piao移yi偽wei像xiang來lai源yuan，並bing概gai述shu了le放fang大da器qi設she計ji人ren員yuan可ke以yi用yong來lai降jiang低di其qi影ying響xiang的de一yi些xie技ji術shu。本ben文wen還hai闡chan釋shi了le如ru何he最zui大da程cheng度du地di減jian少shao精jing密mi信xin號hao鏈lian中zhong這zhe些xie殘can餘yu交jiao流liu偽wei像xiang的de影ying響xiang

，包bao括kuo匹pi配pei輸shu入ru源yuan阻zu抗kang、濾波和頻率規劃。

簡介

零漂移運算放大器使用斬波、自穩零或這兩種技術的結合來消除不需要的低頻誤差源，例如失調和1/f噪聲。傳統上，此類放大器僅用於低帶寬應用中

，因為這些技術在較高頻率時會產生偽像。隻要係統設計時考慮了高頻誤差
，例如紋波、毛刺和交調失真(IMD)等
，較寬帶寬的解決方案也可以受益於零漂移運算放大器的出色直流性能。

零漂移技術

斬波背景 ^{1 – 7}

第一種零漂移技術是斬波，它將誤差調製到較高頻率，從而將失調和低頻噪聲與信號內容分離。

圖1顯示了(b)斬波如何將輸入信號（藍色波形）調製到方波，在放大器中處理該信號，然後(c)將輸出端信號解調回直流。與此同時，放大器中的低頻誤差（紅色波形）在(c)輸出端被調製到方波，然後(d)通過低通濾波器(LPF)濾波。

圖 1. 在 (a) 輸入、(b) V1、(c) V2 和 (d) V_OUT 端的信號（藍色）和誤差（紅色）的時域波形

同樣
，在頻域中
，輸入信號（圖2中的藍色信號）被(b)調製到斬波頻率
，在f_CHOP由增益級處理，(c)在輸出端解調回直流，最後(d)通過LPF。放大器的失調和噪聲源（圖2中的紅色信號）在DC頻率通過增益級處理，(c)由輸出斬波開關調製到f_CHOP，最後(d)由LPF濾波。由於采用方波調製，因此調製發生在調製頻率的奇數倍附近。

圖 2. 在 (a) 輸入、(b) V1、(c) V2 和 (d) V_OUT 端的信號（藍色）和誤差（紅色）的頻域頻譜

從頻域和時域圖中均可看出，由於LPF不是理想的磚牆濾波器，因此調製噪聲和失調會造成一定的殘留誤差。

自穩零背景 ^{1 – 3, 5 – 7}

第二種零漂移技術——自穩零——也是一種動態校正技術，其工作原理是采樣並消除放大器中的低頻誤差源。

圖3顯示了基本自穩零放大器的例子。它由具有失調和噪聲的放大器、重新配置輸入和輸出的開關以及自穩零采樣電容組成。

圖 3. 基本自穩零放大器

在自穩零階段(ϕ₁)，電dian路lu的de輸shu入ru短duan接jie到dao一yi個ge公gong共gong電dian壓ya，自zi穩wen零ling電dian容rong對dui輸shu入ru失shi調tiao電dian壓ya和he噪zao聲sheng進jin行xing采cai樣yang。請qing注zhu意yi

，在zai此ci階jie段duan，放fang大da器qi無wu法fa用yong於yu信xin號hao放fang大da。為wei使shi自zi穩wen零ling放fang大da器qi以yi連lian續xu方fang式shi運yun行xing，必bi須xu讓rang兩liang個ge相xiang同tong通tong道dao交jiao錯cuo。這zhe稱cheng為wei乒ping乓pang式shi自zi穩wen零ling。

在放大階段(ϕ₂)，輸入連接回信號路徑，放大器又可用於放大信號。低頻噪聲、失調和漂移通過自穩零來消除，剩餘的誤差為誤差的當前值與前一樣本之差。由於低頻誤差源從ϕ1到ϕ2變化不大，因此這種減法效果很好。另一方麵
，高頻噪聲混疊到基帶
，導致本底白噪聲提高，如圖4所示。

由於噪聲折疊以及需要額外通道以支持連續工作，因此對於獨立的運算放大器，斬波可能是更有效的零漂移技術²。

斬波偽像 ^{1 – 3, 5 – 7}

盡管斬波可以很好地消除不需要的失調、漂移和1/f噪聲，但它會產生不必要的交流偽像，例如輸出紋波和毛刺。ADI公司最近的零漂移產品已采取措施來減小這些偽像，並使其位於較高頻率，使得係統級濾波更容易。

紋波偽像

斬(zhan)波(bo)調(tiao)製(zhi)技(ji)術(shu)將(jiang)低(di)頻(pin)誤(wu)差(cha)移(yi)至(zhi)斬(zhan)波(bo)頻(pin)率(lv)的(de)奇(qi)數(shu)次(ci)諧(xie)波(bo)，因(yin)此(ci)紋(wen)波(bo)是(shi)這(zhe)種(zhong)技(ji)術(shu)的(de)後(hou)果(guo)。放(fang)大(da)器(qi)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)采(cai)用(yong)許(xu)多(duo)方(fang)法(fa)來(lai)降(jiang)低(di)紋(wen)波(bo)的(de)影(ying)響(xiang)
，包(bao)括(kuo)：

生產失調微調：通過執行一次性初始微調，可以顯著降低標稱失調，但失調漂移和1/f噪聲仍然存在。

斬波和自穩零結合：放大器先自穩零
，然後執行斬波，以將提高的噪聲譜密度(NSD)上調製到更高頻率。圖4顯示了斬波和自穩零後得到的噪聲頻譜。

圖 4. 噪聲 PSD：斬波或自穩零之前，自穩零之後，斬波之後，斬波和自穩零之後

自動校正反饋(ACFB)：可以使用本地反饋環路來檢測輸出端的調製紋波，並在其來源處消除低頻誤差。

毛刺偽像

毛刺是由斬波開關的電荷注入不匹配引起的瞬態尖峰。此類毛刺的幅度取決於許多因素
，包括源阻抗和電荷不匹配量1。毛刺尖峰不僅會在斬波頻率的偶數次諧波處引起偽像，而且會產生與斬波頻率成比例的殘餘直流失調。圖5（左）顯示了這些尖峰在圖1中的V1（斬波開關內部）和V2（輸出斬波開關之後）處的外觀。在斬波頻率的偶數次諧波處的額外毛刺偽像是由有限放大器帶寬引起的，如圖5（右）所示。

圖 5.（左）圖 1 中的 V1（斬波開關內部）和 V2（斬波開關外部）處的電荷注入導致的毛刺電壓
；（右）圖 1 中 V1 和 V2 處的有限放大器帶寬引起的毛刺

與紋波一樣，放大器設計人員也有降低零漂移放大器中的毛刺影響的技術：

電荷注入微調：可以將可調整電荷注入斬波放大器的輸入端

，以補償電荷不匹配，從而減少運算放大器輸入端的輸入電流量。

多通道斬波：這(zhe)不(bu)僅(jin)減(jian)小(xiao)了(le)毛(mao)刺(ci)幅(fu)度(du)，而(er)且(qie)還(hai)將(jiang)其(qi)移(yi)至(zhi)更(geng)高(gao)頻(pin)率(lv)，使(shi)濾(lv)波(bo)更(geng)加(jia)容(rong)易(yi)。與(yu)簡(jian)單(dan)地(di)在(zai)更(geng)高(gao)頻(pin)率(lv)執(zhi)行(xing)斬(zhan)波(bo)相(xiang)比(bi)，該(gai)技(ji)術(shu)導(dao)致(zhi)毛(mao)刺(ci)更(geng)頻(pin)繁(fan)，但(dan)幅(fu)度(du)較(jiao)小(xiao)。圖(tu)6將典型的零漂移放大器與 ADA4522進行了比較，後者使用該技術顯著降低了毛刺的影響。

圖 6. ADA4522 中的電壓尖峰降低到本底噪聲8

圖 7. 斬波器放大器偽像，包括上調製紋波和電荷注入毛刺

總結一下，圖7顯示了斬波放大器的輸出電壓，其中包含：

紋波
，由斬波頻率奇數倍處的上調製失調和1/f噪聲引起

毛刺
，由斬波開關的電荷注入不匹配和有限放大器帶寬在斬波頻率的偶數倍處引起

係統級考慮因素

在數據采集解決方案中使用零漂移放大器時，務必了解頻率偽像的位置並作出相應的規劃。

在數據手冊中查找斬波頻率

數據手冊通常會明確說明斬波頻率，但通過查看噪聲頻譜圖也可以確定斬波頻率。ADI公司最新的幾款零漂移放大器的數據手冊顯示了偽像在頻譜中發生的位置。

ADA4528 數據手冊不僅在“應用信息”部分明確說明了200 kHz的斬波頻率，而且這也可以在圖8所示噪聲密度曲線中清楚地看出。

圖 8. ADA4528 的噪聲密度曲線

在ADA4522數據手冊的“工作原理”部分中，斬波頻率為4.8 MHz，失調和紋波校正環路工作在800 kHz。圖9顯示了ADA4522的噪聲密度，其中可以看到這些噪聲峰值。在單位增益時，由於環路的相位裕量較低，在6 MHz處也有一個噪聲凸起，這不是零漂移放大器所獨有的。

圖 9. ADA4522 的噪聲密度曲線

務wu必bi記ji住zhu，數shu據ju手shou冊ce中zhong描miao述shu的de頻pin率lv是shi一yi個ge典dian型xing數shu值zhi
，可ke能neng因yin器qi件jian而er異yi。因yin此ci，如ru果guo係xi統tong需xu要yao兩liang個ge斬zhan波bo放fang大da器qi進jin行xing差cha分fen信xin號hao調tiao理li，請qing使shi用yong雙shuang通tong道dao放fang大da器qi，因yin為wei兩liang個ge單dan通tong道dao放fang大da器qi在zai斬zhan波bo頻pin率lv方fang麵mian可ke能neng略lve有you不bu同tong，因yin而er可ke能neng相xiang互hu作zuo用yong並bing引yin起qi額e外wai的deIMD。

匹配輸入源阻抗

與輸入源阻抗相互作用的瞬態電流毛刺可能會導致差分電壓誤差

，從而可能在斬波頻率的倍數處產生額外的偽像。圖10顯示了ADA4522在源電阻不匹配情況下的噪聲密度曲線（底部）。為了解決這一潛在的誤差源
，係統設計人員應確保斬波放大器的每個輸入看到的阻抗相同（頂部）。

圖 10. ADA4522 中的噪聲：輸入源電阻匹配（頂部）和不匹配（底部）

IMD和混疊偽像

使用斬波放大器時，輸入信號可能與斬波頻率f_CHOP混頻，從而在f_IN ± f_CHOP、f_IN ± 2f_CHOP

、2f_IN ± f_CHOP…處產生IMD。這些IMD產物可能出現在目標頻段中
，尤其是當fIN接近斬波頻率時。為了消除此問題，請選擇斬波頻率遠大於輸入信號帶寬的零漂移放大器，並確保在此放大器級之前濾除頻率接近f_CHOP的幹擾信號。

使用ADC對放大器輸出進行采樣時，斬波偽像也可能發生混疊。圖11顯示了ADC采樣時毛刺頻率混疊產生的IMD產物示例。這些IMD產物依賴於毛刺和紋波幅度
，並且可能因器件而異。設計信號鏈時，有必要在ADC之前使用抗混疊濾波器以減少此IMD。

圖 11. IMD 的一個示例，其中 ADC 對毛刺采樣
，並在 f_SAMPLE – 2f_CHOP 處引起混疊。

斬波偽像濾波

在係統層次上，處理這些高頻偽像的最有效辦法是濾波。零漂移放大器和ADC之間的LPF減少了斬波偽像
，並避免了混疊。因此
，具有更高斬波頻率的放大器可放寬對LPF的要求，並支持更寬的信號帶寬。

例如
，圖13顯示了ADA4522使用圖12所示不同技術來減輕斬波偽像的效果：提高閉環增益，後置濾波，以及並聯使用電容和反饋電阻8。

圖 12. 濾除偽像的放大器配置

圖 13. ADA4522 NSD，使用頂部顯示的一階濾波器方法：（左）提高增益會降低放大器帶寬

，濾波器濾除噪聲尖峰；（右）使用 RC 濾波器。

根據係統對頻帶抑製的需求，可能需要一個更高階有源濾波器。ADI公司有許多資源可幫助設計濾波器，包括 多重反饋濾波器教程 和 在線濾波器設計工具。

了解斬波偽像發生的頻率可以幫助創建所需的濾波器。表1列出了零漂移放大器引起的交流偽像的位置。

表1. 交流斬波偽像位置小結

結論

通過了解零漂移放大器中的高頻偽像，係統設計人員可以更有信心地將零漂移放大器用於更寬帶寬的應用。係統設計考量因素包括：

●   零漂移放大器輸入端的源輸入阻抗應匹配

●   使用雙通道放大器進行差分信號調理

●   在數據手冊噪聲頻譜中找到偽像的頻率

●   設計濾波器以降低動態降失調技術所引起的高頻偽像的影響

●   了解頻域中的高頻偽像並作出合理規劃

參考電路

¹Yoshinori Kusuda。 “減少斬波放大器中的開關偽像”。荷蘭代爾夫特理工大學，2018年5月。

²Christian Enz和Gabor C. Temes。 “用於降低運算放大器缺陷影響的電路技術：自穩零、相關雙采樣和斬波穩定”。IEEE論文集
，第84卷第11期，1996年11月。

³Boris Murmann。 EE315A：VLSI信號調理電路：第7章
，精密模擬電路技術。斯坦福大學，2014。

⁴James Bryant。 “乘法器與調製器” 。《模擬對話》，第47卷，2013年6月。

⁵A. T. K. Tang。“同時采用斬波和自穩零技術的3/spl mu/V失調運算放大器在DC時具有20nV//spl radic/ Hz輸入噪聲PSD”。IEEE
，2002年2月。

⁶Michiel Pertijs和Wilko J. Kindt。“采用乒乓式自穩零和斬波技術的140 dB-CMRR電流反饋儀表放大器” 。IEEE固態電路雜誌，第45卷第10期，2010年10月。

⁷Johan F. Witte、Kofi A. A. Makinwa和Johan H. Huijsing。“CMOS斬波器失調穩定的運算放大器”。 IEEE固態電路雜誌
，第42卷第7期，2007年7月。

⁸Yoshinori Kusuda和Vicky Wong。“零漂移放大器：現可輕鬆用於高精度電路中”。模擬對話，第49卷


，2015年7月。

ADA4523數據手冊。ADI公司
，2020年4月。

AD7768-1數據手冊。ADI公司，2019年5月。

Kusuda, Yoshinori。 “斬波運算放大器中輸入電流噪聲和偶次諧波折疊效應的分析”。 模擬對話，第53卷，2019年5月

來源：ADI

作者：Simon Basilico

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