仪表放大器是把关键元件集成在放大器内部,它源于运算放大器,但优于运算放大器。其低噪声、低失调、高共模抑制比、高输入阻抗等是仪表放大器的重要指标。
目前降低1/f噪声和失调的方法有:微调技术、自动归零技术和斩波技术。微调技术无法降低放大器的1/f噪声和温度漂移。自动归零技术是一种采样技术,通过对低频噪声、失调进行采样,然后在运算放大器的输入或输出端,把它们从信号的瞬时值中减去,实现对1/f噪声和失调的降低,因为该技术对宽带白噪声是一种欠采样过程,所以会造成白噪声的混叠[1]。斩波技术采用调制和解调的方法,把1/f噪声和失调调制到高频端,再经过低通滤波器滤除,而有用信号经过调制后,又解调到基带,这种技术没有白噪声混叠的缺点,但是其斩波频率限制了其带宽。
本文设计的仪表放大器,同时应用了斩波稳定技术[2]和自动归零技术[3]来降低1/f噪声和失调电压的影响,具有高的共模抑制比、低失调电压以及能够动态补偿失调电压的特点。
1 斩波技术的基本原理
斩波原理图如图1所示。斩波技术通过把输入信号和方波信号调制,再经同步解调和低通滤波后得到所需要的信号,它实质上并没有消除失调,而是把失调电压和低频噪声调制到高频,然后通过低通滤波器把高频处的失调电压和噪声滤除掉。在理想情况下,斩波运放能够完全消除直流失调和低频噪声(主要是1/f噪声)。斩波调制原理如图1所示,假设Vin、Vout分别是输入、输出信号电压,A为放大器的增益,Vch是周期性方波信号,fch
2 斩波失调稳定技术
斩波过程会产生很多混频产物,包括斩波频率和输入信号的和、差项。这些混频产物会引起很大的失真,特别是当信号频率接近斩波频率时尤为明显。而且低通滤波会减小可用信号的带宽。要想在信号带宽不减小的情况下抑制噪声和失调,最好的解决办法是使用斩波失调稳定的运算放大器。这种电路结构在主通路提供信号带宽,而辅助通路减少失调,其电路结构如图2所示,其中辅助通路包括斩波稳定放大器和积分器,主通路只有1个放大器。