广告

如何在大带宽应用中使用零漂移放大器

2022-11-25 10:00:49 Simon Basilico,ADI设计工程师 阅读:
零漂移运算放大器使用斩波、自稳零或这两种技术的结合来消除不需要的低频误差源,例如失调和1/f噪声。传统上,此类放大器仅用于低带宽应用中,因为这些技术在较高频率时会产生伪像。只要系统设计时考虑了高频误差,例如纹波、毛刺和交调失真(IMD)等,较宽带宽的解决方案也可以受益于零漂移运算放大器的出色直流性能。

零漂移运算放大器使用斩波、自稳零或这两种技术的结合来消除不需要的低频误差源,例如失调和1/f噪声。传统上,此类放大器仅用于低带宽应用中,因为这些技术在较高频率时会产生伪像。只要系统设计时考虑了高频误差,例如纹波、毛刺和交调失真(IMD)等,较宽带宽的解决方案也可以受益于零漂移运算放大器的出色直流性能。YKHednc

零漂移技术

1、斩波背景YKHednc

第一种零漂移技术是斩波,它将误差调制到较高频率,从而将失调和低频噪声与信号内容分离。YKHednc

图1显示了(b)斩波如何将输入信号(蓝色波形)调制到方波,在放大器中处理该信号,然后(c)将输出端信号解调回直流。与此同时,放大器中的低频误差(红色波形)在(c)输出端被调制到方波,然后(d)通过低通滤波器(LPF)滤波。YKHednc

YKHednc

1.(a)输入、(b) V1(c) V2(d) VOUT端的信号(蓝色)和误差(红色)的时域波形YKHednc

同样,在频域中,输入信号(图2中的蓝色信号)被(b)调制到斩波频率,在fCHOP由增益级处理,(c)在输出端解调回直流,最后(d)通过LPF。放大器的失调和噪声源(图2中的红色信号)在DC频率通过增益级处理,(c)由输出斩波开关调制到fCHOP,最后(d)由LPF滤波。由于采用方波调制,因此调制发生在调制频率的奇数倍附近。YKHednc

YKHednc

2.(a)输入、(b) V1(c) V2(d) VOUT端的信号(蓝色)和误差(红色)的频域频谱YKHednc

从频域和时域图中均可看出,由于LPF不是理想的砖墙滤波器,因此调制噪声和失调会造成一定的残留误差。YKHednc

2零背景YKHednc

第二种零漂移技术——自稳零——也是一种动态校正技术,其工作原理是采样并消除放大器中的低频误差源。YKHednc

图3显示了基本自稳零放大器的例子。它由具有失调和噪声的放大器、重新配置输入和输出的开关以及自稳零采样电容组成。YKHednc

YKHednc

3.基本自零放大器YKHednc

在自稳零阶段(ϕ1),电路的输入短接到一个公共电压,自稳零电容对输入失调电压和噪声进行采样。请注意,在此阶段,放大器无法用于信号放大。为使自稳零放大器以连续方式运行,必须让两个相同通道交错。这称为乒乓式自稳零。YKHednc

在放大阶段(ϕ2),输入连接回信号路径,放大器又可用于放大信号。低频噪声、失调和漂移通过自稳零来消除,剩余的误差为误差的当前值与前一样本之差。由于低频误差源从ϕ1到ϕ2变化不大,因此这种减法效果很好。另一方面,高频噪声混叠到基带,导致本底白噪声提高,如图4所示。YKHednc

YKHednc

4.噪声PSD:斩波或自稳零之前,自稳零之后,斩波之后,斩波和自稳零之后YKHednc

由于噪声折叠以及需要额外通道以支持连续工作,因此对于独立的运算放大器,斩波可能是更有效的零漂移技术2YKHednc

3斩波伪像YKHednc

尽管斩波可以很好地消除不需要的失调、漂移和1/f噪声,但它会产生不必要的交流伪像,例如输出纹波和毛刺。ADI最近的零漂移产品已采取措施来减小这些伪像,并使其位于较高频率,使得系统级滤波更容易。YKHednc

4纹波伪像YKHednc

斩波调制技术将低频误差移至斩波频率的奇数次谐波,因此纹波是这种技术的后果。放大器设计人员采用许多方法来降低纹波的影响,包括:YKHednc

生产失调微调通过执行一次性初始微调,可以显著降低标称失调,但失调漂移和1/f噪声仍然存在。YKHednc

斩波和自稳零结合放大器先自稳零,然后执行斩波,以将提高的噪声谱密度(NSD)上调制到更高频率。图4显示了斩波和自稳零后得到的噪声频谱。YKHednc

自动校正反馈(ACFB)可以使用本地反馈环路来检测输出端的调制纹波,并在其来源处消除低频误差。YKHednc

5毛刺伪像YKHednc

毛刺是由斩波开关的电荷注入不匹配引起的瞬态尖峰。此类毛刺的幅度取决于许多因素,包括源阻抗和电荷不匹配量。毛刺尖峰不仅会在斩波频率的偶数次谐波处引起伪像,而且会产生与斩波频率成比例的残余直流失调。图5(左)显示了这些尖峰在图1中的V1(斩波开关内部)和V2(输出斩波开关之后)处的外观。在斩波频率的偶数次谐波处的额外毛刺伪像是由有限放大器带宽引起的,如图5(右)所示。YKHednc

YKHednc

5.(左)图1中的V1(斩波开关内部)和V2(斩波开关外部)处的电荷注入导致的毛刺电压;(右)图1V1V2处的有限放大器带宽引起的毛刺YKHednc

与纹波一样,放大器设计人员也有降低零漂移放大器中的毛刺影响的技术:YKHednc

电荷注入微调:可以将可调整电荷注入斩波放大器的输入端,以补偿电荷不匹配,从而减少运算放大器输入端的输入电流量。YKHednc

多通道斩波:这不仅减小了毛刺幅度,而且还将其移至更高频率,使滤波更加容易。与简单地在更高频率执行斩波相比,该技术导致毛刺更频繁,但幅度较小。图6将典型的零漂移放大器与ADA4522进行了比较,后者使用该技术显著降低了毛刺的影响。YKHednc

YKHednc

6.ADA4522中的电压尖峰降低到本底噪声YKHednc

总结一下,图7显示了斩波放大器的输出电压,其中包含:YKHednc

纹波,由斩波频率奇数倍处的上调制失调和1/f噪声引起YKHednc

毛刺,由斩波开关的电荷注入不匹配和有限放大器带宽在斩波频率的偶数倍处引起YKHednc

YKHednc

7.斩波器放大器伪像,包括上调制纹波和电荷注入毛刺YKHednc

系统级考虑因素

在数据采集解决方案中使用零漂移放大器时,务必了解频率伪像的位置并作出相应的规划。YKHednc

1在数据手册中查找斩波频率YKHednc

数据手册通常会明确说明斩波频率,但通过查看噪声频谱图也可以确定斩波频率。ADI最新的几款零漂移放大器的数据手册显示了伪像在频谱中发生的位置。YKHednc

ADA4528数据手册不仅在“应用信息”部分明确说明了200kHz的斩波频率,而且这也可以在图8所示噪声密度曲线中清楚地看出。YKHednc

YKHednc

8.ADA4528的噪声密度曲线YKHednc

在ADA4522数据手册的“工作原理”部分中,斩波频率为4.8MHz,失调和纹波校正环路工作在800kHz。图9显示了ADA4522的噪声密度,其中可以看到这些噪声峰值。在单位增益时,由于环路的相位裕量较低,在6MHz处也有一个噪声凸起,这不是零漂移放大器所独有的。YKHednc

YKHednc

9.ADA4522的噪声密度曲线YKHednc

务必记住,数据手册中描述的频率是一个典型数值,可能因器件而异。因此,如果系统需要两个斩波放大器进行差分信号调理,请使用双通道放大器,因为两个单通道放大器在斩波频率方面可能略有不同,因而可能相互作用并引起额外的IMD。YKHednc

2匹配输入源阻抗YKHednc

与输入源阻抗相互作用的瞬态电流毛刺可能会导致差分电压误差,从而可能在斩波频率的倍数处产生额外的伪像。图10显示了ADA4522在源电阻不匹配情况下的噪声密度曲线(底部)。为了解决这一潜在的误差源,系统设计人员应确保斩波放大器的每个输入看到的阻抗相同(顶部)。YKHednc

YKHednc

10.ADA4522中的噪声:输入源电阻匹配(顶部)和不匹配(底部)YKHednc

3IMD和混叠伪像YKHednc

使用斩波放大器时,输入信号可能与斩波频率fCHOP混频,从而在fIN ± fCHOP、fIN± 2fCHOP、2fIN ± fCHOP…处产生IMD。这些IMD产物可能出现在目标频段中,尤其是当fIN接近斩波频率时。为了消除此问题,请选择斩波频率远大于输入信号带宽的零漂移放大器,并确保在此放大器级之前滤除频率接近fCHOP的干扰信号。YKHednc

使用ADC对放大器输出进行采样时,斩波伪像也可能发生混叠。图11显示了ADC采样时毛刺频率混叠产生的IMD产物示例。这些IMD产物依赖于毛刺和纹波幅度,并且可能因器件而异。设计信号链时,有必要在ADC之前使用抗混叠滤波器以减少此IMD。YKHednc

YKHednc

11.IMD的一个示例其中ADC对毛刺采样并在fSAMPLE–2fCHOP处引起混叠。YKHednc

4波伪像滤波YKHednc

在系统层次上,处理这些高频伪像的最有效办法是滤波。零漂移放大器和ADC之间的LPF减少了斩波伪像,并避免了混叠。因此,具有更高斩波频率的放大器可放宽对LPF的要求,并支持更宽的信号带宽。YKHednc

例如,图13显示了ADA4522使用图12所示不同技术来减轻斩波伪像的效果:提高闭环增益,后置滤波,以及并联使用电容和反馈电阻。YKHednc

YKHednc

12.滤除伪像的放大器配置YKHednc

YKHednc

13.ADA4522 NSD,使用顶部显示的一阶滤波器方法:(左)提高增益会降低放大器带宽,滤波器滤除噪声尖峰;(右)使用RC滤波器。YKHednc

根据系统对频带抑制的需求,可能需要一个更高阶有源滤波器。ADI有许多资源可帮助设计滤波器,包括多重反馈滤波器教程和在线滤波器设计工具。YKHednc

了解斩波伪像发生的频率可以帮助创建所需的滤波器。表1列出了零漂移放大器引起的交流伪像的位置。YKHednc

表1.交流斩波伪像位置小结YKHednc

 YKHednc

伪像说明 位置
纹波 fCHOP,3fCHOP,5fCHOP,…
毛刺 2fCHOP,4fCHOP,6fCHOP,…
放大器IMD fIN ± fCHOP,fIN ± 2fCHOP,2fIN ± fCHOP,…
混叠 fARTIFACT ± fSAMPLE,fARTIFACT ± 2fSAMPLE,fARTIFACT ± 3fSAMPLE,…

 YKHednc

结论

通过了解零漂移放大器中的高频伪像,系统设计人员可以更有信心地将零漂移放大器用于更宽带宽的应用。系统设计考量因素包括:YKHednc

零漂移放大器输入端的源输入阻抗应匹配YKHednc

使用双通道放大器进行差分信号调理YKHednc

在数据手册噪声频谱中找到伪像的频率YKHednc

设计滤波器以降低动态降失调技术所引起的高频伪像的影响YKHednc

了解频域中的高频伪像并作出合理规划YKHednc

关于作者YKHednc

Simon Basilico是精密信号链部门(位于加利福尼亚州圣克拉拉)的设计工程师。Simon的工作侧重于精密信号链,包括集成混合信号设计和系统级封装解决方案。他毕业于斯坦福大学,在获得电气工程学士学位和硕士学位后,于2015年加入ADI公司。YKHednc

责编:Demi
  • 微信扫一扫
    一键转发
  • 最前沿的电子设计资讯
    请关注“电子技术设计微信公众号”
  • 米尔基于Zynq 7000系列单板的FPGA农业生产识别系统 随着农业生产模式和视觉技术的发展,农业采摘机器人的应用已逐渐成为了智慧农业的新趋势,通过机器视觉技术对农作物进行自动检测和识别已成为采摘机器人设计的关键技术之一,这决定了机器人的采摘效果和农场的经济效率。
  • MWC 2023落下帷幕,盘点国产厂商的那些亮眼表现 MWC 2023(世界移动通信大会2023)于2月27日在巴塞罗那正式向全球移动产业伙伴开启,大会也于3月2日正式落下帷幕。展会持续五天,根据官方数据统计,2023年MWC有2000多家全球厂商参展,中国有以OPPO、荣耀为代表的共计28个国产厂商参展。本次展会,各大厂商纷纷拿出自己的看家本领,可谓是亮点多多,今天就带大家一起看看展会上国产厂商展现的那些亮眼技术吧~
  • IEC 61000-4-3标准的步进频率 本文重点在于讨论如何使用更简略的步骤进行IEC 61000-4-3标准的EMI/EMC测试,以加快产品开发时间...
  • 压电致动器的原理、选择和设计指南 压电致动器是一种利用反向压电效应通过施加电压产生位移的元件,可以为熟悉的电磁设备(如电机和螺线管)提供替代方案。它们具有更高的可靠性、更低的功耗、更小的尺寸和更高的位置分辨率等优点。
  • Win11端Phone Link添加新支持,iPhone能在PC端接打电话 3月1日,微软宣布,为Win11平台上的Phone Link应用程序添加对iPhone的支持。用户通过该应用程序连接PC和iPhone之后,可以在PC端拨打和接听电话、发送和接收短信、直接在PC上查看iPhone的通知。预览版要求Phone Link应用程序版本1.23012.169.0或更高版本。
  • 等离子体抛光干式蚀刻为下一代SiC带来质量优势 尽管化学机械抛光(CMP)有一段时期一直是最常用的基板抛光技术,但随着一种新引进的技术——等离子体抛光干式蚀刻(PPDE)被提出,可望克服CMP带来的一些限制。
  • 恩智浦借助RapidRF加速5G设计 Open RAN(O-RAN)发展势头强劲,在全球迅速普及,恩智浦通过打造增强型参考设计,助力5G O-RAN的快速部署。这包括采用恩智浦RapidRF Smart LDMOS前端解决方案(称为“SL系列”)将射频功能集成到客户的设计中。
  • 利用Espruino Pico设计热报警器 在本文中,我们利用Espruino Pico设计了一个简单的热传感器,它能够在超过特定温度时触发报警器并驱动更强大的负载。通过修改代码,还可以创建高效的“窗口热控制”。
  • 传音Tecno品牌MWC 2023首秀,手机后盖1600色一键更换 据外媒消息,传音Tecno在世界移动通信大会(MWC 2023)上展示了其Chameleon Coloring Technology(变色龙着色技术)。这项技术可以嵌入到智能手机的背板中,只需按一下控制键,就可以在手机的背板上产生多种颜色的变化。
  • 如何安全实现车载网络通信? 尽管汽车盗窃仍是一个合理的担忧,但与内部电子控制单元及其车内外通信相关的安全威胁明显更大。
  • 推动增强现实抬头显示(AR-HUD)的未来发展 随着汽车的电气化和连接程度越来越高,抬头显示(HUD)的未来正在迅速改变。特别是,增强现实AR-HUD首次成为智能驾驶舱设计的核心要素,有助于通过驾驶辅助和安全功能提升整体驾驶体验。设计下一代AR-HUD时,需要牢记几项技术要点。
  • Arteris FlexNoC 5物理感知NoC IP,物理融合速度快5倍 据Arteris官网消息,系统IP供应商Arteris宣布推出物理感知片上网络(NoC)互连IP Arteris FlexNoC 5,可使SoC架构团队、逻辑设计人员和集成商能够整合跨功率、性能和面积(PPA)的物理约束管理,以提供连接SoC的物理感知IP。该技术使物理融合速度比手动优化快5倍,且布局团队可以减少汽车、通信、消费电子、企业计算和工业应用的迭代次数。
广告
热门推荐
广告
广告
EE直播间
在线研讨会
广告
广告
面包芯语
广告
向右滑动:上一篇 向左滑动:下一篇 我知道了