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自动调零放大电路的原理及应用

'自动调零放大电路的原理及应用'
1自动调零放大电路的原理及应用自动调零放大电路的原理及应用学生姓名:边文霞 学号:20095044059学 院:物理电子工程学院 专业:电子科学与技术指导教师:马建忠 职称:讲师摘 要:由于传感器技术的广泛使用,而其输出的信号电压在零至数毫伏内发生变化,因此实现低漂移信号是至关重要的。自动调零放大电路、轮换自动校零集成运算放大器、斩波稳零集成运算放大器可以减小集成运算放大器的失调和低频干扰引起的零点漂移。本文通过对自动调零放大电路原理及应用的介绍,使对自动调零放大电路有初步的了解。关键字:自动调零放大电路; 轮换自动校零放大器; 斩波稳零放大器The Principle And Application Of Automatic Zeroing Amplifier CircuitAbstract: Due to the widespreadly using of sensor technology and signal, the output voltage changes from zero millivolt to several millivolts , so achieving low drift signal is very important. Automatic zero adjustment circuit, rotation automatic zero integrated operational amplifier, chopper-stabilized operational amplifier can reduce the zero drift caused by the integrated operational amplifier offset and low frequency interference. Based on the introduction of automatic zero circuit principle and application, making us have a preliminary understanding of the automatic zero adjustment circuit.Key words: automatic zeroing amplifier circuit; The principle; application1.1.引言引言大多数电子元器件的特性,如放大器的失调电压与失调电流、晶体管与二极管的漏电流,都会受温度影响而在一定程度上变化。由于电路在工作中总有电流流过,不可避免的会产生热量,从而使电路发生漂移。外界温度的变化也会引起电路漂移。特别是许多现代测控系统,需要在非常恶劣的温度条件下工作。为了减小漂移,应该采用对漂移能进行自动补偿的电路。自动调零放大电路又称动态校零放大电路,能够消除运算放大器输入失调电压的电路,使运算放大器实现自动调零。许多精密测量仪表,存在因放大器的不稳定而引起的误差,它的输出电压决定于输入网络及 2反馈网络元器件的精度及稳定度,如果加上自动调零电路,则能减小这些因元器件精度及稳定度不好及放大器漂移引起的误差。这种自动调零电路大多采用定时自]1[动校零的办法,随时校准测量电路的失衡及由于元器件及电源不稳定而引起的零点漂移现象。在许多测试仪器仪表应用中,由于其所用传感器可能会受到环境温度、湿度,地理位置的影响,因此很多需要在现场测试前进行调零操作。人工对仪器调零]2[误差大而且耗费人力,自动调零放大电路很好的解决了这个难题。2.2.自动调零放大电路的原理自动调零放大电路的原理电子电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况下放大才有意义。自动调零是一种动态的抵消失调电压和失调电压漂移的]3[技术,在结构上有一个调零放大器和主放大器,会持续地自校正放大器的失调电压误差。调零放大器持续的消除自身的失调电压,然后对主放大器施加校正信号,这种持续校正可确保极低的失调电压,比传统运放低的多,实现比传统放大器更优异的抑制能力,减少温度漂移和时间漂移。它能将相对输入端的失调电压降低到 uV级,将失调电压漂移降低到 nV/ C 级。。动态抵消失调的另一优点是可降低低频噪声,特别是 1/f 噪声,又名闪烁噪声,是由传导路径的不规则性和晶体管内偏置电流造成的噪声而引起的低频现象,在较高频率上,1/f 噪声可忽略不计,因为其他来源的白噪声开始占主导地位,如果输入信号近似直流信号,该低频噪声该是个大问题。在基于自动调零的放大器中,1/f 噪声在失调校正的过程中被滤除了。由于该噪声源出现在输入端,并且噪声信号变化相对较慢,因此可认为是放大器失调电压的一部分,能相应的得到补偿。自动调零放大器的指导思想是:如果能将运放两个输入端短路时或加共模输入信号时的输出电压(误差电压)先用电容器储存起来,再与运放正常工作时的输出电压相减(简称校零) ,则可有效的减小失调电压、失调电流及温度变化及电源电压波动所引起的漂移,也可有效的抑制共模信号。2.12.1 自动调零放大电路自动调零放大电路自动调零放大电路又称为动态校零放大电路。图 1 中,运算放大器 N 为主放大1器,N 为误差保持电路,N 组成时钟发生器,N 为其反相器,N 、N 分别用来驱23434动模拟开关 S、S和 S、S。当时钟发生器 N 输出高电平,经反相则 N 输1a2a1b2b]4[34出低电平时,模拟开关 S、S接通,S、S断开,电路处于失调调零状态,其1a2a1b2b误差保持等效电路如图 2 所示,此时 N 输入端无输入信号,只存在失调电压 U,1os 3其输出为 U,再经 N 放大后由电容 C 保持,考虑到 N 的失调电压 U,电容 C1o2122os的寄存电压为1U=-(U+ U) K1c1o2os2U= (-U+U) K1O1os1C1式中 K 、K —分别为集成运算放大器 N 、N 的开环放大倍数。1212由于 K 》1,K K 》1,所以112 U U- U1c?1os12UKos?1os电容 C 寄存了运算放大器 N 的失调电压 U。另半周时钟发生器 N 输出低电111os3平,经反相 N 输出高电平时,模拟开关 S、S接通, S、S断开,电路进入41b2b1a2a信号放大状态,等效电路图如图 3,此时 U 经 N 放大后,输出 U 为i1oU =- U- UK +UK-Uoi12RR1os11c1?12RRi由以上分析可知,该电路实现了对失调电压的校正,达到了自动调零的目的。 自动调零放大电路性能优于由通用集成运放组成的斩波稳零放大电路,输出电压稳定,波动也小。与普通放大电路相比,其失调和低频干扰降低了三个数量级。]5[这种电路实际上用一块四运放和一块四位模拟开关即可组成,电路成本低。 图1 自动调零放大电路 4 图 2 误差保持电路 图 3 调零放大输出2.22.2 轮换自动校零集成运算放大器轮换自动校零集成运算放大器轮换自动校零集成运算放大器简称 CAZ 运算放大器。它是一种新颖的运算放大器组合器件,如下图所示。它通过模拟开关的切换,使内部两个性能一致的运算放大器 N 、N 交替的工作在信号放大和自动校零两种不同的状态。图中 G 为自动12]6[校零输入端,必须接至系统的零线,使放大器在自动校零时无信号输入。若 N 处于1信号放大状态,N 则处于自动校零状态,如图 4 所示。此时 N 的反相输入端外接22电容 C ,同相输入端接系统地,N 无信号输入,因此 C 寄存了 N 的输入失调和2222低频瞬时干扰电压,称为校正电压。当 N 转换成信号放大状态时,N 则处于自动21校零状态,如图 5 所示。此时电容 C 串接于输入信号与 N 同相输入端之间,寄存22于 C 的校正电压就抵消了 N 的输入失调和低频瞬时干扰电压,达到自动校零目的,22N 输出放大了的输入信号。同时,N 反相输入端的外接电容 C 寄存了其输入失调211和低频瞬时干扰电压。在 N 转换成信号放大状态时,其校正电压起自动校零作用,1N 的输出是经放大后的输入信号。1由于集成电路中两个放大器轮换工作,因此始终保持有一个运算放大器对输入信号进行放大并输出,输出稳定,性能优于由通用集成运算放大器组成的低漂移放大电路。但是它对共模电压无抑制作用。]7[ 5 图 4 N 处于自动校零状态 图 5 N 处于自动校零状态212.32.3 斩波稳零集成运算放大器斩波稳零集成运算放大器图 6 ICL7650 内部原理图斩波稳零放大电路可以放大极其微弱的电压信号,而且可以使失调电压和温度漂移减小 1-3 个数量级。斩波稳零放大电路如图所示,其中主通道 N 放大高频部]8[1分,辅助通道 N 放大低频和直流部分。由于 N 为调制型放大器,可以认为其失调22电压为零。设运放 N 的输入失调电压 U对输出 U 的影响为,输入为 U =0,1osooU?i对于低频和直流信号 C 开路,调制解调部分和交流放大器总的放大倍数为 K。如果3运放 N 的开环放大倍数为 K ,则 U =U,11-os 6,)/1)(/()(151RRKUUUKUOSo?????????U =-KU , U =,所以失调电压 U的影响减小到 1/K。?aa)/(511RRRUo??os 斩波稳零集成运算放大器是一种 CMOS 差动式低漂移集成运算放大器。它利用动态校零技术消除了 CMOS 器件固有的失调和零漂,克服了传统斩波稳零放大器]9[的缺点。ICL7650 的内部电路如图 6 所示,图中 N 为主放大器,N 为调零放大器,12A 、A 分别为 N 、N 的侧向输入端,S、S和 S、S为模拟开关,由内部或12121a2a1b2b外部时钟驱动。当时钟为高电平时,为误差检测和寄存阶段,模拟开关 S、S]10[1a闭合,S、S断开,N 两输入端被短接,只有输入失调电压 U和共模信号 U2a1b2b22os作用并输出,由电容 C 寄存,同时反馈到 N 侧向输入端 A ,此时C222U=K U+KU -K U2o22OS2CC'22oU= U+U2o'221KK?2OS'221KKc?c U+ U ?'22KK2OS'22KKcc式中 K -----运算放大器 N 的开环放大倍数:22K-----运算放大器 N 的开环共模放大倍数:2C2K ------运算放大器 N 的侧向端 A 输入时的放大倍数(K 》1) 。'222'2即 C 两端电压 U= U(K U+ KU )/ K22c2o?22OS2Cc'2另半周,时钟为低电平时,为校零和放大阶段,模拟开关 S、S断开,1a2aS、S闭合,输入信号 U 同时作用到 N 、N 的输入端。N 除输入 U 、U和1b2bi122i2OSU 外,在侧向端 A 还作用着 U,所以,此时 N 的输出为c22c2U=K (U + U)+ KU K U2o2i2OS2Cc'22c= K (U + U)+ KU - K ( K U+ KU )/K2i2OS2Cc'222OS2Cc'2= K U2i 由此可见,N 的失调电压 U和共模电压 U 在时钟的另半周期全部被消除,22OSc达到稳零目的。N 的输出 U通过开关 S由电容 C 寄存,同时还输至 N 的侧向22o2b11输入端 A 进行放大,此时主放大器 N 的输出 U为111o 7 U=K (U +U)+KU +K U1o1i1os1cc'12o式中 K 、K---分别为运算放大器 N 的开环放大倍数和开环共模放大倍数;11c1U----运算放大器 N 的输入失调电压;1os1K -----运算放大器 N 由侧向端 A 输入时的放大倍数。'111将 U= K U 代入上式,则得2o2iU=(K + K K )U + K U+ KU1o1'12i11os1cc上式中的(K + K K )为整个放大器的开环放大倍数,一般设计中可使 K K 1'12'1?1,K 》1,所以该放大器开环放大倍数近似为 K K ,电路增益大为提高,可达212140-160dB。上式中的(K U+ KU )为输入失调电压和共模信号产生的误差项,11os1cc其中失调电压 K U误差项可等效为输入失调电压11os U=OS2'1111KKKUKos??211KUos??21KUos可见,整个集成运算放大器的失调电压为 U,相当于把 N 的输入失调电压OS1U缩小至 1/K ,K 约 100dB,则 U可小于 1uV。共模信号误差项 KU 相当于1os22OS1cc输入端的共模误差电压 U ==='c2'111KKKKUcc??211KKUKcc12CMRRKUcCMRRUc所以 CMRR=K CMMRR ,因此整个集成运算放大器的共模抑制比 CMRR 比 N 的211共模抑制比 CMMRR 提高了 K 倍。内部的钳位电路是用来防止因强干扰而使输入12阻塞。内部调制补偿电路是使放大电路具有较宽的频响特性。 由以上分析知,ICL7650 斩波稳零集成运算放大器具有高增益、失调电压影响小、高共模抑制比和高输入电阻等优点,且可用作差动放大器,是一种较理想的直流集成运算放大器。但它是低压 CMOS 器件,其电源电压的典型值为6 伏,焊]11[?接调试时应防止击穿损坏,记忆电容需外接,且采用漏电小的电容器,交替工作产生的尖峰电压可用低通滤波器滤除。3.3.自动调零电路的应用自动调零电路的应用3.1AD8230 稳零式仪表的原理及应用稳零式仪表的原理及应用应变片式传感器应用十分广泛,它采用电桥式电路结构,以提高输出灵敏度。 8但一个微应变桥路输出只有 2mV 左右,即使在满载情况下,应变片的最大输出也只有数十毫伏,这就要求前置放大电路测量具有高增益、高精度、低噪声、低漂移等特点。一般集成运算放大器都是利用参数补偿原理的直接耦合或者阻容耦合方式,它们的初始失调参数并不等于零,而是用调零电位器或精密修正技术进行失调参数的补偿。这使得直接耦合放大器在放大信号的同时也放大了温漂,而阻容耦合放大器虽能抑制温漂,但不能用来放大微弱的直流信号或缓慢变化的信号,它会将这种信号作为温漂抑制掉。使用自动稳零技术的精密仪表放大器 AD8230 就能很好地解决抑制温漂的同时又放大微弱直流信号这个问题,以满足精密应变测试仪的设计要求。]12[AD8230 是 ADI 公司的一款利用动态校零技术,采用超小型 SOIC 工艺制作的稳零式精密仪表放大器与工业标准 AD62x 系列仪表放大器相比,AD8230 有许多关键的性能提高:具有 109W 的高输入阻抗,能有效地抑制信号源与传输网络阻抗不对称引起的误差;在-40℃~+125℃的工作温度范围内,输入失调电压为 10mV、失调电压温度漂移只有 50nV/℃,共模抑制比高达 140dB,能有效地抑制共模干扰引入的误差,提高系统信噪比和对温度影响的抵抗能力;输入/输出摆幅可达电源限(-VS~+VS) ,以适应信号源电平的较宽范围;具有较高的增益及较宽的增益调节范围(G=2~1000) ,其典型增益误差为±0.01%,增益非线形误差仅为 20ppm,有效地保障了系统的测量精度。]13[放大器增益由两个外部电阻器设置,以实现温度系数(TC)匹配。AD8230 由参考端电位确定零输出电压,当负载与系统地不明确共地时特别有用,它提供了一种对输出引入精密补偿的方法,利用参考端还可提供一个虚地电压放大双极性信号。若 AD8230 相对地输出,则参考端应接地,为了使接地回路阻抗最小,达到最佳的CMR,参考端应接到一个低阻抗接点,建议使用接地平面。AD8230 具有自稳零电路结构,其内部信号路径由一个有源差分采样保持级(前置放大器)和一个差分放大级(增益放大器)组成。两级放大器都能实现自稳零,使失调和漂移减少到最低,全差分电路结构增强了对寄生噪声的抵抗能力。自动稳零基本原理如图所示,这里以两个相继时钟相位 A、B 分别描述其内部工作顺序。电路通过电子开关来切换两个阶段循环工作:在时钟上半周期,电路处于采样阶段,采样电容器 CSAMPLE 连接到信号输入端,该输入信号的差分电压 VDIFF 被 9存储在 CSAMPLE 上,共模电压被抑制。在此期间,增益放大器与前置放大器断]14[开,以使其输出保持在以前采样的输入信号幅度;在时钟下半周期,电路处于动态校零和放大阶段,CSAMPLE 上采集的差分信号被提供给增益放大器,刷新存储在CHOLD 上的电压值,并由增益放大器放大。当 CSAMPLE 连接到前置放大器的输出端时,前置放大器的共模输出电压被下拉到参考电位 VREF。用这种方法,使CSAMPLE 与前置放大器具有相同的共模电压。3.1.1 精密应变测试仪的实现   应变测试仪主要由桥压产生、射频干扰(RFI)滤波、共模抑制、信号放大、低通滤波和缓冲驱动等电路构成。   在实际应用环境中,不断增加的射频干扰,被放大器整流后可能表现为难以消除的直流失调误差,同时考虑到信号传输线路长、强度弱的情况,在仪表放大器前设置一个差分低通滤波器,用以尽可能多地从输入端去除 RF 能量,保持每个输入端与地之间的 AC 信号平衡,以及在测量带宽内保持足够高的输入阻抗,以避免降低对输入信号源的带载能力。 应变传感器工作电压由桥压产生电路供给,其稳定性直接影响输入信号的测量精度。为使测量误差及输入信号漂移最小,桥压电路应选用低温度系数的精密基准稳压芯片,如 LM399、LM3999 等。它们采用次表面隐埋技术,具有长期稳定性好、噪声电压低等优点,其优异的恒温特性 αT=(0.3~2)×10-6/℃,可有效消除温度变化对基准电压的影响。系统增加了共模抑制电路,可进一步减小系统噪声和直流零点漂移误差,提高测试精度;在仪表放大器输出端设置一个低通滤波器以滤除高频分量,降低低频噪声;增加缓冲驱动电路,加大放大器的带载能力,在放大器与负载相距较远时,效果明显。该系统解决了以往应变仪中频带不足、精度不高等难题,是一种新型的精密测试仪器。   AD8230 在精密应变测试仪中主要用于共模抑制、信号放大、自动稳零和输出缓冲等。 3.1.2 共模抑制电路   因应变电桥输出电压很弱,信号传输大多采用屏蔽电缆。在远距离测量时,信号线与电缆屏蔽层之间存在不容忽视的分布电容,若将屏蔽层直接接地,则当两个输入端各自对地电容不等时,将使系统的共模抑制能力下降,影响后级测量精度。 10采用一种积极的数据保护措施,将屏蔽层适当驱动后接于共模信号相等的电位点上,改善 ACCMR,从而不产生泄漏电流,提高了信噪比。 3.1.3 输出滤波、驱动缓冲电路  AD8230 放大器驱动负载能力较小,仅可驱动 10kW 以上负载阻抗。若负载阻抗小于 10kW,其输出端应再加一级精密驱动缓冲器。根据应用频段,在输出端加设一个低通滤波器以滤除高频分量,推荐选用 UAF42AU。它集滤波、驱动为一体,通过改变引脚间连接,可灵活实现低通、高通、带通或带阻滤波。当驱动负载为2kW 时,UAF42AU 输出摆幅为±11.5V,可满足测试仪在各领域的应用要求。 AD8230 可取代分立器件构成的仪表放大器,具有线性度好、温度稳定性高、体积小、可靠性高等特点,可用作低功耗医用仪表放大器、热电偶放大器、电桥应变测量放大器及用于传感器接口、工业过程控制和低功耗数据采集系统中。由其构成的应变测试仪被广泛应用于物料计量称、传感器仪表等,实践表明,该测试仪最大动态测量误差≤1.53‰。3.23.2 电子秤放大电路的原理及应用电子秤放大电路的原理及应用电子秤放大电路的应用主要是因为传感器输出的信号电压值太小,不能满足A/D 转换器对输入信号电平的要求,因此,利用放大电路来获得足够的增益以提高信号幅度。另外,称重传感器输出的模拟信号是微弱的,通过放大器放大才能够直接送到 A/D 转换器进行 A/D 转换。放大电路基本上是采用运算器为核心组成,]15[一些设计方案如下:采用专用仪表放大器。专用仪表放大器内部一般采用差动输入,具有差模输入阻抗大、共模抑制比高、高精度、增益高、外接件少等特点。采用高精度低漂移运算放大器构成差动放大器。差动放大器具有高输入阻抗、增益高的特点,可以满足后续 A/D 转换器对高精度的需求。 11 图 7 采用 AD7791 的电子秤系统采用通用低温漂运算放大器构成多级放大器。通用低温漂运算放大器构成多级放大器需要对噪声的控制。图 7 所示电路是一个精密电子秤信号调理系统,它使用一个低功耗缓冲式 24 位 Σ-Δ 型 ADC、AD7791 和两个外部零漂移放大器 ADA4528-1。该解决方案支持单电源供电,可提供高直流增益。前端使用超低噪声、低失调电压、低漂移放大器,以便放大来自称重传感器的低电平信号。对于满量程输出为 10 mV 的称重传感器,该电路提供 15.3 位的无噪声码分辨率。利用本电路可以非常灵活地设计定制低电平信号调理前端,用户可以轻松优化传感器-放大器-转换器组合电路的整体传递函数。在 9.5 Hz 至 120 Hz 的完整输出数据速率范围内,AD7791 均能保持良好的性能,可用于以各种较低速度工作的电子秤应用。当激励电压为 5 V 时,Tedea-Huntleigh 2 kg 称重传感器的灵敏度为 2 mV/V,满量程输出为 10 mV。称重传感器也具有相关的失调电压或 TARE。此外,称重传感器还具有增益误差。一些客户利用 DAC 来消除或抵消 TARE。当 AD7791 采用 5 V基准电压时,差分模拟输入范围等于±5 V 或 10 V p-p。所示电路将称重传感器输出放大 375 (1 + 2R1/RG)倍,因此以称重传感器输出为基准的满量程输入范围为 10 V/375 = 27 mV p-p。相对于称重传感器的 10 mV p-p 满量程信号,AD7791 的模拟输入范围较宽,这有利于确保称重传感器的失调电压和增益误差不会使 ADC 前端过载。来自称重传感器的低电平幅度信号由两个零漂移放大器 ADA4528-1 放大。顾名 12思义,零漂移放大器的失调电压漂移接近为 0。放大器连续自行校正任何直流误差,尽可能保持精确。除了低失调电压和漂移外,零漂移放大器也没有 1/f 噪声,这一重要特性有助于电子秤在直流或低频时进行精确测量。两个运算放大器 ADA4528-1 配置为三运放仪表放大器的第一级。第三个运算放大器连接为差动放大器,一般用于第二级,但在图 7 所示电路中,AD7791 的差分输入端执行此功能。增益等于 1 + 2R1/RG。电容 C1 和 C2 置于运算放大器的反馈环路中,与 R1 和 R2 一起形成 4.3 Hz 截止频率的低通滤波器,用于限制进入 Σ-Δ 型ADC 的噪声量。C5 与 R3 和 R4 一起形成一个截止频率为 8 Hz 的差分滤波器,用以进一步限制噪声。C3 和 C4 与 R3 和 R4 一起形成截止频率为 159 Hz 的共模滤波器。低噪声调节器 ADP3301 为 AD7791、ADA4528-1 和称重传感器供电。除了去耦电容外,按照 ADP3301 数据手册的建议,在调节器输出端配有降噪电容。调节器必须为低噪声型,因为电源或地层的任何噪声都会在系统中引起噪声,导致电路性能下降。24 位 Σ-Δ 型 ADC AD7791 转换来自称重传感器的经放大的信号。AD7791 配置为缓冲工作模式,以适应模拟输入引脚上的 R-C 滤波器网络的阻抗。4.结语结语随着电子技术、微电子技术及计算机技术的飞速发展,电子测量领域正从传统的电子测量仪器原理、功能和自动化水平向智能仪器、虚拟仪器及自动测试系统方向发展。即通过传感器将所有非电量转换成电量进行测量,传感器输出的信号电压在零至数毫伏范围内变化,因此减小测量放大电路的电压漂移很重要,因此对高灵敏度、高精度的自动调零电路的需求也越来越多,通过本文的介绍,使对自动调零电路的原理及应用有初步的认识和了解。参考文献参考文献: :[1]林占江.电子测量技术[M].2 版.北京:电子工业出版社,2011:280-282.[2]华成英,童诗白.模拟电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,2006:157-158.[3]张国雄,李醒飞.测控电路[M].4 版.北京:机械工业出版社,2012:32-36.[4]宋文绪,杨帆.传感器与检测技术[M].2 版.北京:高等教育出版社,2011:18-22.[5]高光天.仪表放大器应用技术[M]. 北京:科学出版社,1995:89-100.[6]段尚枢.运算放大器应用基础[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1998:57-66[7]佛朗哥.基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计[M].西安:西安交通大学出版社, 132009:34-37.[8] 童诗白.模拟电子技术基础[M].3 版.北京:高等教育出版社,2001:67-70.[9]Texas Instruments.TMS320F2812 Digital signal processors data manual[M]. 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