降低交流偽像影響　零漂移放大器消除低頻誤差有道(1)

2024-03-22

Simon Basilico

零漂移運算放大器使用斬波、自穩零或此兩種技術的結合來消除不需要的低頻誤差源。由於這些技術在較高頻率時會產生偽像，傳統上，此類放大器僅用於低頻寬應用中。不過，只要系統設計時考慮了高頻誤差，較寬頻寬的解決方案也可以受益於零漂移運算放大器的卓越直流性能。

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零漂移運算放大器使用斬波、自穩零或此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雜訊。傳統上，此類放大器僅用於低頻寬應用中，因為這些技術在較高頻率時會產生偽像。只要系統設計時考慮了高頻誤差，例如漣波、突剌和互調失真(IMD)等，較寬頻寬的解決方案也可以受益於零漂移運算放大器的卓越直流性能。

本文介紹斬波、自穩零與零漂移偽像來源，並概述了放大器設計人員可以用來降低其影響的相關技術。並闡釋了如何盡量減少精密訊號鏈中這些殘餘交流偽像的影響，包括匹配輸入源阻抗、濾波和頻率規劃。

零漂移技術

斬波背景^[1]~[7]

第一種零漂移技術是斬波，其將誤差調變到較高頻率，進而將失調和低頻雜訊與訊號內容分離。

圖1顯示了(b)斬波如何將輸入訊號(曲線波形)調變到方波，在放大器中處理該訊號，然後(c)將輸出端訊號解調回直流。與此同時，放大器中的低頻誤差(直線波形)在(c)輸出端被調變到方波，然後(d)透過低通濾波器(LPF)濾波。

圖1　在(a)輸入、(b)V1、(c)V2和(d)V_OUT端的訊號(曲線)和誤差(直線)的時域波形

同樣在頻域中，輸入訊號(圖2中的灰色訊號)被(b)調變到斬波頻率，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。放大器的失調和噪音源(圖2中的曲線訊號)在DC頻率透過增益級處理，(c)由輸出斬波開關調變到f_CHOP，最後(d)由LPF濾波。由於採用方波調變，因此調變發生在調變頻率的奇數倍附近。

圖2　在(a)輸入、(b)V1、(c)V2和(d)V_OUT端的訊號(灰色)和誤差(曲線)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，因此調變雜訊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，其工作原理是採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。其由具有失調和雜訊的放大器、重新配置輸入和輸出的開關以及自穩零採樣電容組成。

在自穩零階段(ϕ₁)，電路的輸入短接到一個公共電壓，自穩零電容對輸入失調電壓和雜訊進行採樣。請注意，在此階段，放大器無法用於訊號放大。為使自穩零放大器以連續方式運行，必須讓兩個相同通道交錯。這稱為乒乓式自穩零。

在放大階段(ϕ₂)，輸入連接回訊號路徑，放大器又可用於放大訊號。低頻雜訊、失調和漂移透過自穩零來消除，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。另一方面，高頻雜訊混疊到基頻，導致白色雜訊基底提高，如圖4所示。

由於雜訊折疊以及需要額外通道以支援連續工作，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]}

儘管斬波很能消除不需要的失調、漂移和1/f雜訊，但其會產生不必要的交流偽像，例如輸出漣波和突剌。廠商如ADI最近的零漂移產品已採取措施來減小這些偽像，並使其位於較高頻率，使得系統級濾波更容易。

漣波偽像

斬波調變技術將低頻誤差移至斬波頻率的奇數次諧波，因此漣波是此種技術的後果。放大器設計人員採用許多方法來降低漣波的影響，包括：

・生產失調微調：透過執行一次性初始微調，可以明顯降低標稱失調，但失調漂移和1/f雜訊仍然存在。

・斬波和自穩零結合：放大器先自穩零，然後執行斬波，以將提高的雜訊譜密度(NSD)上調變到更高頻率。圖4顯示了斬波和自穩零後得到的雜訊頻譜。

・自動校正回饋(ACFB)：可以使用本地回饋環路來檢測輸出端的調變漣波，並在其來源處消除低頻誤差。

突剌偽像

突剌是由斬波開關的電荷注入不匹配引起的瞬態尖峰。此類突剌的幅度取決於許多因素，包括源阻抗和電荷不匹配量^[1]。突剌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突剌偽像是由有限放大器頻寬引起的，如圖5(右)所示。