如何利用零漂移放大器實現 DC 精確性與大頻寬

現實生活中許多感測器訊號的變化速度很慢、變化幅度很小，尤其是和自然現象有關的訊號。然而，這些細微的變化對深入瞭解實際情況很重要。例子有很多，包括監測橋樑或結構移動的應變計、水下水流傳感器、溫度相關現象、感測地震和地表板塊移動的加速計、多種光學感測器的輸出，以及幾乎所有的生物電位訊號。

有效並準確擷取非常低階的訊號，始終是一項挑戰。這些訊號容易被雜訊損毀，因此放大訊號對達到所需的振幅和維持訊噪比 (SNR) 非常重要。這些訊號的頻率很低，通常為數赫茲或數十赫茲，俗稱「DC 訊號」，頻率低使得難度更高。

當放大器參數發生偏壓電流或電壓偏移等初始 DC 偏移，加上固有的 1/f 粉紅雜訊，以及隨後由於溫度引起的漂移、電軌變化或元件老化而導致不可避免的效能變化，將使訊號鏈的效能下降。

過去，所謂的「零漂移」放大器只能用於頻寬較低的應用，因為動態誤差減低技術會在較高的頻率下產生太多偽影。但這帶來很大的限制，因為這些類 DC 訊號可能會突然發生某些頻率較高、頻寬較大的活動，例如結構突然斷裂時或地震時。

因此，就非常需要對類 DC 訊號漂移量極低、較高頻率表現較佳的前端放大器。所幸，隨著拓撲和設計的進步，目前已針對 DC 到較高頻率的作業，開發出大致能消除偏移、參數漂移和 1/f 雜訊的零漂移放大器 IC。

本文將以 Analog Devices (ADI) 的元件，詳細說明零漂移放大器及其參數和問題。接著探討如何實現零漂移放大器的功能，以及放大器與相關訊號鏈的效能改進技術。

處理非零漂移

漂移是指基線效能發生變化，主要是 (並非完全是) 感測器和類比前端 (AFE) 電路中的多種熱效應引起。過去達到零漂移的方法是使用截波穩定放大器，此元件將低頻率訊號 (通常稱為 DC 訊號) 調變成較高的頻率，更方便控制和過濾；之後，放大器會進行輸出級解調，這會恢復原始訊號，但該原始訊號已經過放大。此技術很有效，已成功使用多年。

請注意，「DC 訊號」有點用詞不當，「接近 DC」是較準確的用詞。若訊號真為 DC 並因此具有恆定的數值，則其攜帶的資訊不會產生變化，而緩慢變化恰恰是關注點。不過，「DC 訊號」是常用的術語。

「自動歸零」是截波穩定法的替代方法。此技術利用動態修正達到類似的結果，但效能方面的取捨有點不同。零漂移運算放大器能使用截波和／或自動歸零技術，消除不當的低頻誤差源。「零漂移」這個術語也有個小問題，即稍微具誤導性，這些放大器的漂移量雖然非常低，但即使已十分接近零，仍未臻完美。每種技術各有利弊，應用層面也不同：

• 截波採用訊號調變與解調技術，雖然基頻雜訊較低，但也會在截波頻率及其諧波下產生雜訊偽影。
• 相比之下，自動歸零技術使用取樣保持電路、適合頻段較寬的應用，但帶內電壓雜訊更多，因為雜訊會「折返」進入頻譜的基頻部分。
• 現今先進的零漂移放大器 IC 結合這兩種技術，兩全其美。這種 IC 能管理雜訊頻譜密度 (NSD) 以提供較低的基頻雜訊，並將高頻率誤差降到最低，例如漣波、突波和互調變失真 (IMD) (圖 1)。

圖 1：每種類比放大器的典型雜訊頻譜密度 (NSD) 都不同；零漂移放大器同時具備自動歸零和截波穩定法在 NSD 方面的效能，以提供更合適的效能。(圖片來源：Analog Devices)

從截波技術開始

截波穩定放大器又名截波放大器，或簡稱「截波器」，利用截波電路來切斷 (截斷) 輸入訊號，以便當作調變的 AC 訊號般來處理。然後在輸出端將訊號解調回 DC 訊號，以抽取原始訊號。

這樣就能將極小的 DC 訊號放大，並將不當漂移的影響大大降低，趨近於零。截波調變將偏移及低頻率雜訊與訊號內容分離，因為它將誤差調變成較高的頻率，可以在實行過濾時更輕鬆地降低或去除誤差。

截波操作細節在時域中簡單易懂 (圖 2)。輸入訊號 (a) 被截波訊號 (b) 調變為方波，並在輸出端 (d) 被解調 (c) 回 DC 訊號。放大器中固有的低頻誤差 (紅色波形)，會在輸出端調變 (c) 為方波，之後以低通濾波器 (LPF) 過濾 (d) 方波濾波。

圖 2：輸入訊號 V_IN (藍色) 和誤差 (紅色) 在基本截波技術的 (a) 輸入端、(b) V1、(c) V2、(d) V_OUT 的時域波形。(圖片來源：Analog Devices)

頻域分析也很有幫助 (圖 3)。輸入訊號 (a) 調變為截波頻率 (b)，由增益級在 f_CHOP 下進行處理，並在輸出端解調回 DC (c)，最後通過 LPF (d)。放大器的偏移和雜訊來源 (紅色訊號)，透過增益級在 DC 下進行處理，並由輸出截波開關調變為 f_CHOP (c)，最後由 LPF 進行濾波 (d)。由於採用方波調變，調變發生於調變頻率的奇倍數附近。

圖 3：訊號 (藍色) 和誤差 (紅色) 在 (a) 輸入端、(b) V1、(c) V2 和 (d) V_OUT 的頻域頻譜也是個重要的視角。(圖片來源：Analog Devices)

當然，沒有設計是完美的。時域和頻域圖都顯示出，調變的雜訊和偏移將造成一些殘差，因為 LPF 並非完美「固若金湯」。

進階到自動歸零技術

自動歸零是一種動態修正技術，透過在放大器中取樣和減除低頻誤差源來達成。一個基本自動歸零放大器，包含了放大器 (必然會偏移和發出雜訊)、開關 (用於重新配置輸入與輸出)，和自動歸零取樣電容 (圖 4)。

圖 4：此基本自動歸零放大器配置顯示了許多開關，這些開關用於重新配置訊號路徑，因此也能捕捉放大器電容固有的誤差。(圖片來源：Analog Devices)

在自動歸零階段 ϕ₁，電路的輸入會短路成共同電壓，而自動歸零電容會對輸入偏移電壓和雜訊進行取樣。務必注意，放大器在這個階段「無暇」放大訊號，因為其正忙於其他任務。因此，為了讓自動歸零放大器能連續運作，必須在所謂的「乒乓」自動歸零做法中交錯放置兩個相同的通道。

在放大階段 ϕ₂，輸入訊號會接回訊號路徑，放大器也能再次放大訊號了。低頻雜訊、偏移和漂移，會以自動歸零的方式消除。剩餘的誤差是目前數值和前一誤差樣本之間的落差。

由於從 ϕ₁ 到 ϕ₂ 階段，低頻誤差源的變化不大，因此減除效果很好。但是，高頻雜訊向下交疊至基頻，導致白噪音背景雜訊增加 (圖 5)。

圖 5：雜訊功率頻譜密度由截波和自動歸零的動作形成，即圖中自動歸零之前、自動歸零之後、截波之後、截波和自動歸零之後 (從左到右)。(圖片來源：Analog Devices)

先進自動歸零 IC 放大器的效能很驚人。在嚴重偏移、漂移和雜訊規格方面，這些放大器通常比普通意義上「非常好」的精密運算放大器好上一到兩個數量級。因此，雖然數字顯然不是零，但非常接近。

例如，ADA4528 是一款單通道、軌對軌 (RTR) 的零漂移放大器，最大偏移電壓為 2.5 μV，最大偏移電壓漂移只有 0.015 μV/°C，電壓雜訊密度為 5.6 nV/√Hz (f = 1 kHz，增益為 +100)，搭配 97 nV_peak-peak (f = 0.1 Hz 至 10 Hz，增益為 +100)。ADA4522 是一款單通道、軌對軌的零漂移放大器，最大偏移電壓為 5 μV，最大偏移電壓漂移為 22 nV/°C，電壓雜訊密度為 5.8 nV/√Hz (典型值)，搭配 117 nV_peak-peak，頻率介於 0.1 Hz 至 10 Hz (典型值)，輸入偏壓電流為 50 pA (典型值)。

偽影可能有損「完美度」

截波雖能有效去除不當的偏移、漂移和 1/f 雜訊，但本身會產生不當的 AC 偽影，例如輸出漣波和突波。不過，Analog Devices 的零漂移產品細查每個偽影的根本原因，接著採取先進或精密的拓撲與流程方法，使這些偽影的強度小得多，並在較高的頻率下尋找偽影，這讓人能更輕易在系統層級過濾出偽影。這些偽影包括：

漣波：這是使用截波調變技術的必然結果，該技術會將這些低頻誤差移至截波頻率的奇諧波。放大器設計人員使用多種方法降低漣波的影響，包括：

• 生產偏移修整：執行單次初始修整就能大大降低標稱偏移，但偏移漂移和 1/f 雜訊還是會存在。
• 結合截波與自動歸零技術：放大器會先自動歸零，然後截波，將增加的雜訊頻譜密度 (NSD) 向上調變成較高的頻率 (如前一張圖所示，該圖顯示了在截波和自動歸零後產生的雜訊頻譜)。
• 自動修正回授 (ACFB)：局部回授迴路能用來感測輸出端經過調變的漣波，並在源極消除低頻誤差。

突波：一種暫態尖波，因截波開關電荷注入不匹配所導致。這些突波的強度取決於許多因素，包括來源阻抗和電荷不匹配的程度。

突波尖波不僅會在截波頻率的偶諧波處產生偽影，還會產生與截波頻率成比例的殘餘 DC 偏移。圖 6 (左圖) 說明了這些尖波在兩處的樣貌，一是截波開關內 (V1)，一是輸出截波開關之後 (V2)。截波頻率偶諧波處有其他突波偽影，這些偽影是有限放大器頻寬造成的 (圖 6，右圖)。

圖 6：V1 (截波開關內側) 和 V2 (截波開關外側) 的電荷注入突波電壓 (左圖)；V1 和 V2 有限放大器頻寬造成的突波 (右圖)。(圖片來源：Analog Devices)

和漣波一樣，放大器設計人員設計並實行精巧但有效的技術，降低突波在零漂移放大器中的影響。

• 電荷注入修整：可在截波放大器的輸入中注入一個可修整電荷，以補償電荷不匹配情形，減少運算放大器輸入端的輸入電流。
• 多通道截波：此技術不但能減少突波的強度，還能將其移至更高的頻率，更輕易過濾突波。比起只是在較高的頻率下截波，這種技術會使突波頻率變高，突波強度更小。

透過比較 ADA4522 與典型零漂移放大器 (A)，清楚展現多通道截波技術。ADA4522 利用此技術大大降低突波的影響 (圖 7)。

圖 7：ADA4522 採用改良式截波技術，雜訊突波較小，因此能將電壓尖波降到背景雜訊。(圖片來源：Analog Devices)

從純放大器到系統效能

要有效地應用廣頻零漂移放大器，必須仔細考慮系統級問題以及放大器。瞭解剩餘頻率偽影在頻譜中的位置及其影響非常重要。

規格書通常會說明截波頻率，但並非總是如此。查看雜訊頻譜圖也能確定截波頻率。例如，ADA4528 的規格書明確說明截波頻率為 200 kHz。雜訊密度圖中也能看到此數據 (圖 8)。

圖 8：ADA4528 的雜訊密度圖，重申了其規格書聲明的截波頻率規格為 200 kHz。(圖片來源：Analog Devices)

ADA4522 規格書說明截波頻率為 4.8 MHz，偏移和漣波修正迴路的工作頻率為 800 kHz。圖 9 中的雜訊密度圖顯示了這些雜訊峰值。處於單位增益時，迴路的相位容限降低，因此也會出現 6 MHz 的雜訊凸塊，但這並非零漂移放大器的獨有特性。

圖 9：ADA4522 的雜訊密度圖不僅顯示截波頻率，也顯示其他因各種來源造成的雜訊峰值。(圖片來源：Analog Devices)

設計人員應記住，規格書標註的頻率為典型數值，可能因零件而異。因此，系統設計若必須為取得多個訊號調整通道而使用兩個截波放大器，應該使用一個雙放大器。這是因為兩個單一放大器的截波頻率可能略有不同，可能進而產生交互作用，增加互調變失真。

其他系統級設計條件包括：

• 匹配輸入來源阻抗：暫態電流突波會和輸入源阻抗產生交互作用，導致差動電壓誤差，可能導致以截波頻率的倍數增加更多偽影。為了將此潛在誤差源減到最少，對於截波放大器，應設計讓每個輸入具有相同的阻抗。
• 互調變失真與交疊偽影：截波放大器輸入訊號能和截波頻率 f_CHOP 混合，在其和差乘積與諧波下產生互調變失真：f_IN ± f_CHOP、f_IN ± 2f_CHOP、2f_IN ± f_CHOP 等等。這些互調變失真乘積可能出現於關注的頻段，特別是 f_IN 接近截波頻率時。但所選之零漂移放大器的截波頻率，比輸入訊號頻寬高出許多，只要確保在該放大器階段前過濾出頻率接近 f_CHOP 的可能「干擾物」，就能徹底減少此問題。

以類比數位轉換器 (ADC) 對放大器輸出進行取樣時，也會交疊截波偽影。這些互調變失真乘積的細節取決於突波和漣波的強度，且可能因元件而異，因此通常必須在 ADC 之前納入抗交疊濾波器，以降低此互調變失真。

對於徹底實現零漂移放大器的潛力，濾波的重要性不在話下，因為它是在系統層級處理這些高頻偽影最有效的方法。在零漂移放大器和 ADC 之間安置低通濾波器，能減少截波偽影並避免交疊。

截波頻率較高的零漂移放大器，能降低對低通濾波器的要求，並達到更大的訊號頻寬。然而，視系統和訊號鏈需要多大的頻外拒斥程度，可能需使用高階而非普通的主動濾波器。

ADI 有多種資源能加速和簡化濾波器的設計，包括多重回授濾波器教學 (MT-220) 和線上濾波器設計精靈工具。瞭解這些截波偽影的頻率，對打造所需的濾波器有所幫助 (圖 10)。

圖 10：此表總結了零漂移放大器的雜訊類型及其頻譜位置，能有效引導評估何處需進行何種濾波。(圖片來源：Analog Devices)

將效能提升至最大

即使採用優異的元件並謹慎地設計系統，設計人員仍遇到一個問題，就是殘差來源如今變多了。以前不相關或看不見的誤差源現在卻妨礙實現頂級效能，就像河流乾涸後，河床首次露出新的特徵一樣。換句話說，當一階和二階誤差源減到最低或完全除去時，三階誤差源就成了問題。

例如，對於零漂移放大器及其類比訊號通道，偏移誤差的一個潛在來源是電路板上的 Seebeck 電壓。這種電壓發生於兩種異金屬的接面，並且隨接面的溫度而變化。電路板最常見的金屬接面是焊料到電路板的走線，及焊料到元件的引線。

想想印刷電路板所焊接之表面黏著元件的截面積 (圖 11)。當電路板溫度發生變化，例如 TA1 與 TA2 不同時，會造成焊點的 Seebeck 電壓不匹配，引致熱電壓誤差，降低零漂移放大器的超低偏移電壓效能。

圖 11：先進的零漂移放大器能大幅減少誤差，但較不明顯的誤差源成為了一項挑戰 (例如熱梯度和 Seebeck 電壓所導致的誤差源)，必須予以解決。(圖片來源：Analog Devices)

為了將這些熱電偶影響減到最低，電阻的擺放方向應讓各種熱源能均勻地為兩端加熱。可能的話，輸入訊號路徑中必須有匹配的元件數與元件類型，以和熱電偶接面的數量及類型相符。零歐姆電阻等虛擬元件，可用於匹配熱電誤差源 (在對向輸入路徑中使用真實的電阻)。將匹配的元件放在附近，並以相同方式擺放，能確保 Seebeck 電壓相等，藉此消除熱誤差。

此外，可能必須使用等長的引線，讓熱傳導率保持平衡。電路板上的熱源，應盡可能遠離放大器輸入電路。還可使用接地面將熱量分散於整個電路板上，使電路板保持恆溫並減少 EMI 雜訊的拾取。

結論

現今的零漂移 IC 十分穩定準確，因此用於解決類比前端的應用挑戰，以符合當今應用所需、精確一致地擷取頻率極低的訊號。此 IC 解決了存在已久的問題，幫助準確放大這些 DC 訊號或接近 DC 的訊號，並解決許多需要較寬頻寬的情況。在單一 IC 中合併兩種技術來打造此類放大器 (即截波穩定技術與自動歸零技術)，設計人員能從每種方法的正面特性中獲益，徹底減少其偽影與缺點。