自動(dòng)調(diào)零放大電路的原理及應(yīng)用

自動(dòng)調(diào)零放大電路的原理及應(yīng)用摘要:自動(dòng)調(diào)零放大器在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中有越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。通過(guò)對(duì)自動(dòng)調(diào)零放大電路的原理及應(yīng)用的介紹，使對(duì)自動(dòng)調(diào)零放大電路有初步的了解。關(guān)鍵字：自動(dòng)調(diào)零放大電路;原理;應(yīng)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(dòng)調(diào)零放大電路又稱動(dòng)態(tài)校零放大電路，能夠消除運(yùn)算放大器輸入失調(diào)電壓的電路，使運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)零。許多精密測(cè)量?jī)x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(luò)及反饋網(wǎng)絡(luò)元器件的精度及穩(wěn)定度。如果再加上自動(dòng)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(dòng)調(diào)零電路大多采用定時(shí)自動(dòng)校零的辦法，隨時(shí)校準(zhǔn)測(cè)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(diǎn)漂移現(xiàn)象。在許多測(cè)試儀器儀表應(yīng)用中,由于其所用傳感器可能會(huì)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(chǎng)測(cè)試前進(jìn)行調(diào)零操作。人工對(duì)儀器調(diào)零誤差大而且耗費(fèi)人力，自動(dòng)調(diào)零放大電路很好的解決了這個(gè)難題。2.自動(dòng)調(diào)零放大電路的原理放大現(xiàn)象存在于各種場(chǎng)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(dòng)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(dòng)調(diào)零是一種動(dòng)態(tài)的抵消失調(diào)電壓和失調(diào)電壓漂移的技術(shù)，在結(jié)構(gòu)上有一個(gè)調(diào)零放大器和主放大器，會(huì)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(duì)主放大器施加校正信號(hào)，這種持續(xù)校正可確保極低的失調(diào)電壓，比傳統(tǒng)運(yùn)放低的多，實(shí)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(shí)間漂移。它能將相對(duì)輸入端的失調(diào)電壓降低到uV級(jí)，將失調(diào)電壓漂移降低到nV/C級(jí)。動(dòng)態(tài)抵消失調(diào)的另一優(yōu)點(diǎn)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(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，在較高頻率上，1/f噪聲可忽略不計(jì)，因?yàn)槠渌麃?lái)源的白噪聲開始占主導(dǎo)地位，如果輸入信號(hào)近似直流信號(hào)，該低頻噪聲該是個(gè)大問(wèn)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(guò)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)電壓的一部分，能相應(yīng)的得到補(bǔ)償。自動(dòng)調(diào)零放大器的指導(dǎo)思想是：如果能將運(yùn)放兩個(gè)輸入端短路時(shí)或加共模輸入信號(hào)時(shí)的輸 出電壓（誤差電壓）先用電容器儲(chǔ)存起來(lái)，再與運(yùn)放正常工作時(shí)的輸出電壓相減（簡(jiǎn)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(dòng)所引起的漂移，也可有效的抑制共模信號(hào)。-+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(dāng)N3輸出高電平，Sa1、Sa2導(dǎo)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(yùn)算放大器N1的失調(diào)電壓U0s1。當(dāng)N3輸出低電平，Sb1、Sb2導(dǎo)通，電路進(jìn)入信號(hào)放大狀態(tài)，見圖c。可推出： Uo(R2/R1)Ui實(shí)現(xiàn)了對(duì)失調(diào)電壓的校正，達(dá)到了自動(dòng)調(diào)零的目的。3.自動(dòng)調(diào)零電路的應(yīng)用應(yīng)變片式傳感器應(yīng)用十分廣泛，它采用電橋式電路結(jié)構(gòu)，以提高輸出靈敏度。但一個(gè)微應(yīng)變橋路輸出只有2mV左右，即使在滿載情況下，應(yīng)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(cè)量具有高增益、高精度、低噪聲、低漂移等特點(diǎn)。一般集成運(yùn)算放大器都是利用參數(shù)補(bǔ)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(shù)進(jìn)行失調(diào)參數(shù)的補(bǔ)償。這使得直接耦合放大器在放大信號(hào)的同時(shí)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(lái)放大微弱的直流信號(hào)或緩慢變化的信號(hào)，它會(huì)將這種信號(hào)作為溫漂抑制掉。使用自動(dòng)穩(wěn)零技術(shù)的精密儀表放大器AD8230就能很好地解決抑制溫漂的同時(shí)又放大微弱直流信號(hào)這個(gè)問(wèn)題，以滿足精密應(yīng)變測(cè)試儀的設(shè)計(jì)要求。AD8230是ADI公司的一款利用動(dòng)態(tài)校零技術(shù)，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(biāo)準(zhǔn)AD62x系列儀表放大器相比，AD8230有許多關(guān)鍵的性能提高：具有109W的高輸入阻抗，能有效地抑制信號(hào)源與傳輸網(wǎng)絡(luò)阻抗不對(duì)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(dá)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(duì)溫度影響的抵抗能力；輸入/輸出擺幅可達(dá)電源限（-VS+VS），以適應(yīng)信號(hào)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(cè)量精度。放大器增益由兩個(gè)外部電阻器設(shè)置，以實(shí)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(dāng)負(fù)載與系統(tǒng)地不明確共地時(shí)特別有用，它提供了一種對(duì)輸出引入精密補(bǔ)償?shù)姆椒?，利用參考端還可提供一個(gè)虛地電壓放大雙極性信號(hào)。若AD8230相對(duì)地輸出，則參考端應(yīng)接地，為了使接地回路阻抗最小，達(dá)到最佳的CMR，參考端應(yīng)接到一個(gè)低阻抗接點(diǎn)，建議使用接地平面。AD8230具有自穩(wěn)零電路結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部信號(hào)路徑由一個(gè)有源差分采樣保持級(jí)（前置放大器）和一個(gè)差分放大級(jí)（增益放大器）組成。兩級(jí)放大器都能實(shí)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(gòu)增強(qiáng)了對(duì)寄生噪聲的抵抗能力。自動(dòng)穩(wěn)零基本原理如圖1所示，這里以兩個(gè)相繼時(shí)鐘相位A、B分別描述其內(nèi)部工作順序。電路通過(guò)電子開關(guān)來(lái)切換兩個(gè)階段循環(huán)工作：在時(shí)鐘上半周期，電路處于采樣階段，采樣電容器CSAMPLE連接到信號(hào)輸入端，該輸入信號(hào)的差分電壓VDIFF被存儲(chǔ)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(hào)幅度；在時(shí)鐘下半周期，電路處于動(dòng)態(tài)校零和放大階段，CSAMPLE上采集的差分信號(hào)被提供給增益放大器，刷新存儲(chǔ)在CHOLD上的電壓值，并由增益放大器放大。當(dāng)CSAMPLE連接到前置放大器的輸出端時(shí)，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(yīng)變測(cè)試儀的實(shí)現(xiàn)應(yīng)變測(cè)試儀主要由橋壓產(chǎn)生、射頻干擾（RFI）濾波、共模抑制、信號(hào)放大、低通濾波和緩沖驅(qū)動(dòng)等電路構(gòu)成。在實(shí)際應(yīng)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(shí)考慮到信號(hào)傳輸線路長(zhǎng)、強(qiáng)度弱的情況，在儀表放大器前設(shè)置一個(gè)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(gè)輸入端與地之間的AC信號(hào)平衡，以及在測(cè)量帶寬內(nèi)保持足夠高的輸入阻抗，以避免降低對(duì)輸入信號(hào)源的帶載能力。應(yīng)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(hào)的測(cè)量精度。為使測(cè)量誤差及輸入信號(hào)漂移最小，橋壓電路應(yīng)選用低溫度系數(shù)的精密基準(zhǔn)穩(wěn)壓芯片，如LM399、LM3999等。它們采用次表面隱埋技術(shù)，具有長(zhǎng)期穩(wěn)定性好、噪聲電壓低等優(yōu)點(diǎn)，其優(yōu)異的恒溫特性T（0.32）10-6/，可有效消除溫度變化對(duì)基準(zhǔn)電壓的影響。系統(tǒng)增加了共模抑制電路，可進(jìn)一步減小系統(tǒng)噪聲和直流零點(diǎn)漂移誤差，提高測(cè)試精度；在儀表放大器輸出端設(shè)置一個(gè)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(dòng)電路，加大放大器的帶載能力，在放大器與負(fù)載相距較遠(yuǎn)時(shí)，效果明顯。該系統(tǒng)解決了以往應(yīng)變儀中頻帶不足、精度不高等難題，是一種新型的精密測(cè)試儀器。AD8230在精密應(yīng)變測(cè)試儀中主要用于共模抑制、信號(hào)放大、自動(dòng)穩(wěn)零和輸出緩沖等。3.2共模抑制電路因應(yīng)變電橋輸出電壓很弱，信號(hào)傳輸大多采用屏蔽電纜。在遠(yuǎn)距離測(cè)量時(shí)，信號(hào)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(dāng)兩個(gè)輸入端各自對(duì)地電容不等時(shí)，將使系統(tǒng)的共模抑制能力下降，影響后級(jí)測(cè)量精度。采用一種積極的數(shù)據(jù)保護(hù)措施，將屏蔽層適當(dāng)驅(qū)動(dòng)后接于共模信號(hào)相等的電位點(diǎn)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(dòng)緩沖電路AD8230放大器驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力較小，僅可驅(qū)動(dòng)10kW以上負(fù)載阻抗。若負(fù)載阻抗小于10kW，其輸出端應(yīng)再加一級(jí)精密驅(qū)動(dòng)緩沖器。根據(jù)應(yīng)用頻段，在輸出端加設(shè)一個(gè)低通濾波器以濾除高頻分量，推薦選用UAF42AU。它集濾波、驅(qū)動(dòng)為一體，通過(guò)改變引腳間連接，可靈活實(shí)現(xiàn)低通、高通、帶通或帶阻濾波。當(dāng)驅(qū)動(dòng)負(fù)載為2kW時(shí)，UAF42AU輸出擺幅為11.5V，可滿足測(cè)試儀在各領(lǐng)域的應(yīng)用要求。輸出緩沖電路如圖4所示。AD8230可取代分立器件構(gòu)成的儀表放大器，具有線性度好、溫度穩(wěn)定性高、體積小、