自动归零运算放大器在携式讯号调理中的应用

应用实例：可携式袖珍天平

上面指出了自动归零放大器有助于提高放大器性能的几个参数。这里将讨论使用应力计的应用实例，强调一下自动归零放大器的一些优点。

可携式天平是一个特殊的设备，用来秤量一些小物品，例如贵金属，珠宝以及药物。这些设备采用电池供电，通常需要的精密度高达十分之一克。因此，该应用需要高精密度、用于秤重应力计的低功率讯号调理。

在应力计中用电阻对外力引起的应力量进行量化。有几种不同类型的应力计，但最常见的是金属应力计。这类应力计由一根金属线或一片金属箔构成。当有力作用时，应力计的应力改变(或正或负)，因而导致应力计的电阻的变化。透过测量电阻的变化，来确定所加应力的量。通常，应力计的结构都是惠斯顿桥型，因为这种电路结构能够提供极高的灵敏度。由于电阻值的变化较小，故这种惠斯顿桥电路的总输出电压也比较小。例如，我们可以假设满量程输出为10mV。

图2是一个用于应用分析的简化电路。请注意，该电路并非用于完整的表征，而是被简化来显现自动归零结构的优点。例如，惠斯顿桥电路的输出应该被缓冲以提供高输入阻抗，但在简化电路中就没有绘出。在该电路中，放大器的差分增益为500，这样，来自惠斯顿桥的满量程输出将会使得放大器输出达到5V。



图2：利用自动归零放大器的应用简化电路图。

由于在该应用中需要高增益，放大器的偏移电压降变得至关重要。任何电压偏移都将被放大器的高增益放大。例如，MCP606是一个用来实现用于修正输入偏移电压的非挥发性内存的CMOS运算放大器，其室温下的最大偏移为250 μV。如果用在该应用中，其最大偏移误差将使得放大器输出的误差高达125mV，或者说满量程的2.5%。但如果使用MCP6V01自动归零放大器，其室温下最大偏移仅为2 μV。则放大器输出的最大误差仅为1mV，即只有满量程的0.02%。

如上所述，自动归零结构的另一个优点是其低时间漂移和温度漂移。例如，假定该可携式秤重天平的工作温度范围为0℃到50℃。MCP606的温度漂移为1.8 μV/℃。由温度变化所产生的误差可高达90 μV，再经过放大器增益的放大，在放大器输出中又将产生45mV的误差。而MCP6V01，最大的温度漂移仅为50 nV/℃。故其引起的放大器输出中的偏移误差仅为1.25 mV，该性能比MCP606放大器高30倍。

如上所述，1/f是低频应用的一个限制因素，例如这里所讨论的秤重天平。MCP606运算放大器的1/f噪声讯谱角频率一般为200Hz。在这点上1/f噪声开始占据主导地位，在1Hz以下，所导致的电压-噪声密度高达200 nV/Hz。而对于MCP6V01运算放大器，由于具有自动归零校正结构，就没有1/f噪声，因而在低频段保持恒定。对于秤重天平应用，由于负载单元输出是一个变化很慢的讯号，故此时1/f是一个非常关键的因素。

本文小结

虽然如今的自动归零结构概念上可以回溯到早期的斩波放大器，但相对于早期的产品已经得到了极大的改进。老式的斩波放大器有许多能导致很大系统级设计问题的缺点。而新型的自动归零结构要好用得多，并提供好得多的性能。如上述的应用实例中，自动归零结构在这类高精密度的应用中可以提供比传统的运算放大器好得多的性能。