自動調(diào)零放大電路的原理及應用

自動調(diào)零放大電路的原理及應用摘要:自動調(diào)零放大器在現(xiàn)代科學技術中有越來越廣泛的應用。通過對自動調(diào)零放大電路的原理及應用的介紹，使對自動調(diào)零放大電路有初步的了解。關鍵字：自動調(diào)零放大電路;原理;應用The principle and application of automatic zeroing amplifier circuitAbstract: Automatic zeroing amplifier is widely used in modern science and technology. By introducing the principle and application of automatic zeroing amplifier circuit, which makes we have a preliminary understanding.Key words: automatic zeroing amplifier circuit; The principle; application1.引言自動調(diào)零放大電路又稱動態(tài)校零放大電路，能夠消除運算放大器輸入失調(diào)電壓的電路，使運算放大器實現(xiàn)自動調(diào)零。許多精密測量儀表，存在因放大器的不穩(wěn)定而引起的誤差，它的輸出電壓決定于輸入網(wǎng)絡及反饋網(wǎng)絡元器件的精度及穩(wěn)定度。如果再加上自動調(diào)零，則還能解決元器件及放大器漂移引起的誤差。這種自動調(diào)零電路大多采用定時自動校零的辦法，隨時校準測量電路的失衡及由于元器件及電源不穩(wěn)定而引起的零點漂移現(xiàn)象。在許多測試儀器儀表應用中,由于其所用傳感器可能會受到環(huán)境溫度、濕度,地理位置的影響,因此很多需要在現(xiàn)場測試前進行調(diào)零操作。人工對儀器調(diào)零誤差大而且耗費人力，自動調(diào)零放大電路很好的解決了這個難題。2.自動調(diào)零放大電路的原理放大現(xiàn)象存在于各種場合。例如，利用放大鏡放大微小物體，利用杠桿原理用小力移動重物，利用變壓器將低電壓變換為高電壓。放大電路放大的本質(zhì)是能量的控制和轉(zhuǎn)換。電子電路放大的基本特征是功率放大，放大的前提是不失真，即只有在不失真的情況下放大才有意義。自動調(diào)零是一種動態(tài)的抵消失調(diào)電壓和失調(diào)電壓漂移的技術，在結(jié)構上有一個調(diào)零放大器和主放大器，會持續(xù)地自校正放大器的失調(diào)電壓誤差。調(diào)零放大器持續(xù)的消除自身的失調(diào)電壓，然后對主放大器施加校正信號，這種持續(xù)校正可確保極低的失調(diào)電壓，比傳統(tǒng)運放低的多，實現(xiàn)比傳統(tǒng)放大器更優(yōu)異的抑制能力，減少溫度漂移和時間漂移。它能將相對輸入端的失調(diào)電壓降低到uV級，將失調(diào)電壓漂移降低到nV/C級。動態(tài)抵消失調(diào)的另一優(yōu)點是可降低低頻噪聲，特別是1/f噪聲,又名閃爍噪聲，是由傳導路徑的不規(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主導地位，如果輸入信號近似直流信號，該低頻噪聲該是個大問題。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，因此可認為是放大器失調(diào)電壓的一部分，能相應的得到補償。自動調(diào)零放大器的指導思想是：如果能將運放兩個輸入端短路時或加共模輸入信號時的輸 出電壓（誤差電壓）先用電容器儲存起來，再與運放正常工作時的輸出電壓相減（簡稱校零），則可有效的減小失調(diào)電壓、失調(diào)電流及溫度變化及電源電壓波動所引起的漂移，也可有效的抑制共模信號。-+N3UoK1C1Sa2R2Sb2Sa1-+N1K2-+N2#UiSb1R1#-+N4a) 電路原理圖K2C1UC1Uo1R1R2K1-+N1-+N2b) 誤差保持UoC1UiR1R2K1-+N1c) 調(diào)零放大輸出由圖a，當N3輸出高電平，Sa1、Sa2導通，電路處于失調(diào)調(diào)零狀態(tài)，見圖b?？赏瞥觯?Uc1（Uo1U0s2）K2 Uo1（U0s1Uc1）K1 Uc1U0s1電容C1寄存了運算放大器N1的失調(diào)電壓U0s1。當N3輸出低電平，Sb1、Sb2導通，電路進入信號放大狀態(tài)，見圖c?？赏瞥觯?Uo(R2/R1)Ui實現(xiàn)了對失調(diào)電壓的校正，達到了自動調(diào)零的目的。3.自動調(diào)零電路的應用應變片式傳感器應用十分廣泛，它采用電橋式電路結(jié)構，以提高輸出靈敏度。但一個微應變橋路輸出只有2mV左右，即使在滿載情況下，應變片的最大輸出也只有數(shù)十mV，這就要求前置放大電路測量具有高增益、高精度、低噪聲、低漂移等特點。一般集成運算放大器都是利用參數(shù)補償原理的直接耦合或者阻容耦合方式，它們的初始失調(diào)參數(shù)并不等于零，而是用調(diào)零電位器或精密修正技術進行失調(diào)參數(shù)的補償。這使得直接耦合放大器在放大信號的同時也放大了溫漂，而阻容耦合放大器雖能抑制溫漂，但不能用來放大微弱的直流信號或緩慢變化的信號，它會將這種信號作為溫漂抑制掉。使用自動穩(wěn)零技術的精密儀表放大器AD8230就能很好地解決抑制溫漂的同時又放大微弱直流信號這個問題，以滿足精密應變測試儀的設計要求。AD8230是ADI公司的一款利用動態(tài)校零技術，采用超小型SOIC工藝制作的穩(wěn)零式精密儀表放大器。與工業(yè)標準AD62x系列儀表放大器相比，AD8230有許多關鍵的性能提高：具有109W的高輸入阻抗，能有效地抑制信號源與傳輸網(wǎng)絡阻抗不對稱引起的誤差；在-40+125的工作溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電壓為10mV、失調(diào)電壓溫度漂移只有50nV/，共模抑制比高達140dB，能有效地抑制共模干擾引入的誤差，提高系統(tǒng)信噪比和對溫度影響的抵抗能力；輸入/輸出擺幅可達電源限（-VS+VS），以適應信號源電平的較寬范圍；具有較高的增益及較寬的增益調(diào)節(jié)范圍（G=21000），其典型增益誤差為0.01%，增益非線形誤差僅為20ppm，有效地保障了系統(tǒng)的測量精度。放大器增益由兩個外部電阻器設置，以實現(xiàn)溫度系數(shù)（TC）匹配。AD8230由參考端電位確定零輸出電壓，當負載與系統(tǒng)地不明確共地時特別有用，它提供了一種對輸出引入精密補償?shù)姆椒?，利用參考端還可提供一個虛地電壓放大雙極性信號。若AD8230相對地輸出，則參考端應接地，為了使接地回路阻抗最小，達到最佳的CMR，參考端應接到一個低阻抗接點，建議使用接地平面。AD8230具有自穩(wěn)零電路結(jié)構，其內(nèi)部信號路徑由一個有源差分采樣保持級（前置放大器）和一個差分放大級（增益放大器）組成。兩級放大器都能實現(xiàn)自穩(wěn)零，使失調(diào)和漂移減少到最低，全差分電路結(jié)構增強了對寄生噪聲的抵抗能力。自動穩(wěn)零基本原理如圖1所示，這里以兩個相繼時鐘相位A、B分別描述其內(nèi)部工作順序。電路通過電子開關來切換兩個階段循環(huán)工作：在時鐘上半周期，電路處于采樣階段，采樣電容器CSAMPLE連接到信號輸入端，該輸入信號的差分電壓VDIFF被存儲在CSAMPLE上，共模電壓被抑制。在此期間，增益放大器與前置放大器斷開，以使其輸出保持在以前采樣的輸入信號幅度；在時鐘下半周期，電路處于動態(tài)校零和放大階段，CSAMPLE上采集的差分信號被提供給增益放大器，刷新存儲在CHOLD上的電壓值，并由增益放大器放大。當CSAMPLE連接到前置放大器的輸出端時，前置放大器的共模輸出電壓被下拉到參考電位VREF。用這種方法，使CSAMPLE與前置放大器具有相同的共模電壓。3.1精密應變測試儀的實現(xiàn)應變測試儀主要由橋壓產(chǎn)生、射頻干擾（RFI）濾波、共模抑制、信號放大、低通濾波和緩沖驅(qū)動等電路構成。在實際應用環(huán)境中，不斷增加的射頻干擾，被放大器整流后可能表現(xiàn)為難以消除的直流失調(diào)誤差，同時考慮到信號傳輸線路長、強度弱的情況，在儀表放大器前設置一個差分低通濾波器，用以盡可能多地從輸入端去除RF能量，保持每個輸入端與地之間的AC信號平衡，以及在測量帶寬內(nèi)保持足夠高的輸入阻抗，以避免降低對輸入信號源的帶載能力。應變傳感器工作電壓由橋壓產(chǎn)生電路供給，其穩(wěn)定性直接影響輸入信號的測量精度。為使測量誤差及輸入信號漂移最小，橋壓電路應選用低溫度系數(shù)的精密基準穩(wěn)壓芯片，如LM399、LM3999等。它們采用次表面隱埋技術，具有長期穩(wěn)定性好、噪聲電壓低等優(yōu)點，其優(yōu)異的恒溫特性T（0.32）10-6/，可有效消除溫度變化對基準電壓的影響。系統(tǒng)增加了共模抑制電路，可進一步減小系統(tǒng)噪聲和直流零點漂移誤差，提高測試精度；在儀表放大器輸出端設置一個低通濾波器以濾除高頻分量，降低低頻噪聲；增加緩沖驅(qū)動電路，加大放大器的帶載能力，在放大器與負載相距較遠時，效果明顯。該系統(tǒng)解決了以往應變儀中頻帶不足、精度不高等難題，是一種新型的精密測試儀器。AD8230在精密應變測試儀中主要用于共模抑制、信號放大、自動穩(wěn)零和輸出緩沖等。3.2共模抑制電路因應變電橋輸出電壓很弱，信號傳輸大多采用屏蔽電纜。在遠距離測量時，信號線與電纜屏蔽層之間存在不容忽視的分布電容，若將屏蔽層直接接地，則當兩個輸入端各自對地電容不等時，將使系統(tǒng)的共模抑制能力下降，影響后級測量精度。采用一種積極的數(shù)據(jù)保護措施，將屏蔽層適當驅(qū)動后接于共模信號相等的電位點上，改善ACCMR，從而不產(chǎn)生泄漏電流，提高了信噪比。3.3輸出濾波、驅(qū)動緩沖電路AD8230放大器驅(qū)動負載能力較小，僅可驅(qū)動10kW以上負載阻抗。若負載阻抗小于10kW，其輸出端應再加一級精密驅(qū)動緩沖器。根據(jù)應用頻段，在輸出端加設一個低通濾波器以濾除高頻分量，推薦選用UAF42AU。它集濾波、驅(qū)動為一體，通過改變引腳間連接，可靈活實現(xiàn)低通、高通、帶通或帶阻濾波。當驅(qū)動負載為2kW時，UAF42AU輸出擺幅為11.5V，可滿足測試儀在各領域的應用要求。輸出緩沖電路如圖4所示。AD8230可取代分立器件構成的儀表放大器，具有線性度好、溫度穩(wěn)定性高、體積小、