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),、低漂移運放的需要,。在那時，斬波放大器的性能比雙極型運放優(yōu)越,。原始斬波放大器的輸入和輸出由開關(guān)控制（或斬波）,，對輸入信號進(jìn)行調(diào)制，校正失調(diào)誤差,，然后在輸出時解調(diào),。該技術(shù)可確保失調(diào)電壓和漂移很低，但也有其局限,。由于要對放大器的輸入進(jìn)行采樣,，因此輸入信號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其自身的調(diào)零引腳施加校正信號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),。因為主放大器始終連接到IC的輸入和輸出,，因此輸入信號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)相對于早期的斬波放大器有很大的優(yōu)勢,。開關(guān)操作造成的電荷注入仍是個問題，這可能導(dǎo)致信號瞬變,，并且注入的電荷會與輸入信號耦合,，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,，即有一個調(diào)零放大器和一個主放大器,。但是，經(jīng)過了多年的重大改進(jìn),，目前自動調(diào)零架構(gòu)的噪聲,、電荷注入和其他與斬波穩(wěn)態(tài)運放相關(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,，“自動調(diào)零”,、“自動相關(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,。
自動調(diào)零架構(gòu)的優(yōu)勢
如上所述，自動調(diào)零架構(gòu)會持續(xù)地自校正放大器的失調(diào)電壓誤差,。這就形成了相對于傳統(tǒng)運放的幾個獨特優(yōu)勢,。
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，然后對主放大器施加校正信號,。該校正信號的頻率取決于實際的設(shè)計,，但通常每秒發(fā)生幾千次。例如,，Microchip Technology的MCP6V01自動調(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)運放低得多,。此外，校正失調(diào)電壓的過程還會校正其他直流規(guī)范,，例如電源抑制和共模抑制,。因此，自動調(diào)零放大器能實現(xiàn)比傳統(tǒng)放大器更優(yōu)異的抑制能力,。
2 溫度和時間漂移低
所有放大器,，無論其工藝技術(shù)和架構(gòu)如何，都會隨溫度和時間變化產(chǎn)生失調(diào)電壓,。多數(shù)運放用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)電壓也會隨著時間而改變,。對于傳統(tǒng)運放,，該時間漂移（有時稱為累增）通常不會在數(shù)據(jù)手冊中指出，但它會在器件的整個使用壽命中產(chǎn)生顯著的誤差,。
自動調(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間漂移,。這樣,，自動調(diào)零放大器相比傳統(tǒng)運放在漂移性能方面有顯著改善,。例如，前面提到的MCP6V01運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，因為其他來源的白噪聲開始占據(jù)主導(dǎo)地位,。如果輸入信號近乎直流信號（如來自應(yīng)變計,、壓力傳感器和熱電偶等的輸出），該低頻噪聲將是個大問題,。
在基于自動調(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,，并且噪聲信號變化相對較慢,，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,。該電流的強度可在μA級別到pA級別不等，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,，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,，傳感器上會產(chǎn)生壓降,，導(dǎo)致電壓誤差。對于這些應(yīng)用,，就需要低偏置電流,。
實際上，現(xiàn)今市場上的所有自動調(diào)零放大器均采用CMOS輸入級,，可產(chǎn)生很低的偏置電流,。但是，來自內(nèi)部開關(guān)的注入電荷會使偏置電流略高于更傳統(tǒng)的CMOS輸入運放,。
5 靜態(tài)電流
對于電池供電的應(yīng)用,，靜態(tài)電流是個關(guān)鍵參數(shù)。由于調(diào)零放大器和支持自校正自動調(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,，自動調(diào)零放大器通常會比傳統(tǒng)放大器消耗更多的靜態(tài)電流。已對此進(jìn)行了重大改進(jìn)以提高該架構(gòu)的效率,。部分運放（例如,， MCP6V03）提供片選或關(guān)斷引腳,，以便在器件不工作時盡可能減小靜態(tài)電流。
應(yīng)用示例：便攜式口袋秤
以上指出了自動調(diào)零架構(gòu)有助于提高放大器性能的幾個參數(shù),。下面將探討使用應(yīng)變計的應(yīng)用示例,，它會突顯出自動調(diào)零放大器的部分優(yōu)勢。
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)用需要對用于稱重的應(yīng)變計進(jìn)行高精度而低功耗的信號調(diào)理,。
應(yīng)變計使用電阻來測定各外力造成的應(yīng)變量,。有幾類不同的應(yīng)變計，最常見的是金屬應(yīng)變計,。此類應(yīng)變計金屬線或小片金屬箔組成,。施力時，應(yīng)變計上應(yīng)力（或正或負(fù)）的改變會導(dǎo)致應(yīng)變計電阻改變,。隨后通過測量電阻的變化量即可獲知所施加的力的大小,。通常將一個或多個應(yīng)變計以惠斯通電橋的方式連接，因為這種電路能提供優(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)用的一個簡化電路。請注意,，該電路并非用于完整表示實際的電路,，而是經(jīng)過簡化來展示自動調(diào)零架構(gòu)的優(yōu)點。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)，都會被增益放大。例如,，MCP606是一個CMOS運放,，其內(nèi)帶有一個非易失性存儲器以減小輸入失調(diào)電壓，在這種情況下,，室溫時的最大失調(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%。
自動調(diào)零架構(gòu)的另一個優(yōu)勢是時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）的一個限制因素,。MCP606運放展示了典型的1/f噪聲頻譜，轉(zhuǎn)折頻率約為200Hz,。從這點開始,，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運放由于其自校正自動調(diào)零架構(gòu),，不會顯示該1/f噪聲，它在低頻下保持為常數(shù),。對于稱重應(yīng)用,，測壓元件的輸出是一個變化很慢的信號，因此1/f噪聲是很關(guān)鍵的因素,。