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 Circuit

Abstract: 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; application

1.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反馈网络元器

1

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[1]。这种自动调零电路大多采用定时自动校零的办法，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[2]。人工对仪器调零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.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[3]。自动调零是一种动态的抵消失调电压和失调电压漂移的技术，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。 2.1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N1为主放大器，N2为误差保持电路，N3组成时钟发生器，N4为其反相器，N3、N4分别用来驱动模拟开关Sa1、Sa2和Sb1、Sb2[4]。当时钟发生器N3输出高电平，经反相则N4输出低电平时，模拟开关Sa1、Sa2接通，Sb1、Sb2断开，电路处于失调调零状态，其误差保持等效电路如图2所示，此时N1输入端无输入信号，只存在失调电压Uos，其

2

输出为Uo1,再经N2放大后由电容C1保持，考虑到N2的失调电压Uos2,电容C1的寄存电压为

Uc1=-(Uo1+ Uos2) K2 UO1= (-Uos1+UC1) K1

式中K1、K2—分别为集成运算放大器N1、N2的开环放大倍数。 由于K1》1，K1K2》1，所以 Uc1? Uos1-Uos2? Uos1 K1电容C1寄存了运算放大器N1的失调电压Uos1。另半周时钟发生器N3输出低电平，经反相N4输出高电平时，模拟开关Sb1、Sb2接通， Sa1、Sa2断开，电路进入信号放大状态，等效电路图如图3，此时Ui经N1放大后，输出Uo为

Uo=- UiR2R- Uos1K1+Uc1K1?-2Ui R1R1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[5]。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。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

3

图2 误差保持电路

图3调零放大输出

2.2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N1、N2交替的工作在信号放大和自动校零两种不同的状态[6]。图中G为自动校零输入端，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N1处于信号放大状态，N2则处于自动校零状态，如图4所示。此时N2的反相输入端外接电容C2，同相输入端接系统地，N2无信号输入，因此C2寄存了N2的输入失调和低频瞬时干扰电压，称为校正电压。当N2转换成信号放大状态时，N1则处于自动校零状态，如图5所示。此时电容C2串接于输入信号与N2同相输入端之间，寄存于C2的校正电压就抵消了N2的输入失调和低频瞬时干扰电压，达到自动校零目的，N2输出放大了的输入信号。同时，N1反相输入端的外接电容C1寄存了其输入失调和低频瞬时干扰电压。在N1转换成信号放大状态时，其校正电压起自动校零作用，N1的输出是经放大后的输入信号。

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]。

4

图4 N2处于自动校零状态 图5 N1处于自动校零状态

2.3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[8]。斩波稳零放大电路如图所示，其中主通道N1放大高频部分，辅助通道N2放大低频和直流部分。由于N2为调制型放大器，可以认为其失调电压为零。设运放N1的输入失调电压Uos对输出Uo的影响为?Uo，输入为Ui=0,对于低频和直流信号C3开路，调制解调部分和交流放大器总的放大倍数为K。如果运放N1的开环放大倍数为K1，则U-=Uos,?Uo??K1(U??U?)??(UOS/K)(1?R5/R1)，

5

U?=-KUa, Ua=?UoR1/(R1?R5),所以失调电压Uos的影响减小到1/K。

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[9]，克服了传统斩波稳零放大器的缺点。ICL7650的内部电路如图6所示，图中N1为主放大器，N2为调零放大器，A1、A2分别为N1、N2的侧向输入端，Sa1、Sa2和Sb1、Sb2为模拟开关，由内部或外部时钟驱动。当时钟为高电平时，为误差检测和寄存阶段[10]，模拟开关Sa1、Sa2闭合，Sb1、Sb2断开，N2两输入端被短接，只有输入失调电压Uos2和共模信号UC作用并输出，由电容C2寄存，同时反馈到N2侧向输入端A2，此时

Uo2=K2UOS2+KC2UC-K'2Uo2 Uo2=

Kc2K2 U+Uc OS2''1?K21?K2?Kc2K2 U+ Uc OS2''K2K2式中K2-----运算放大器N2的开环放大倍数：

KC2-----运算放大器N2的开环共模放大倍数：

K'2------运算放大器N2的侧向端A2输入时的放大倍数（K'2》1）。 即C2两端电压Uc2= Uo2?(K2UOS2+ KC2Uc)/ K'2

另半周，时钟为低电平时，为校零和放大阶段，模拟开关Sa1、Sa2断开，Sb1、Sb2闭合，输入信号Ui同时作用到N1、N2的输入端。N2除输入Ui、UOS2和Uc外，在侧向端A2还作用着Uc2，所以，此时N2的输出为

Uo2=K2(Ui+ UOS2)+ KC2Uc K'2Uc2

= K2(Ui+ UOS2）+ KC2Uc- K'2( K2UOS2+ KC2Uc)/K'2 = K2Ui

由此可见，N2的失调电压UOS2和共模电压Uc在时钟的另半周期全部被消除，达到稳零目的。N2的输出Uo2通过开关Sb2由电容C1寄存，同时还输至N1的侧向输入端A1进行放大，此时主放大器N1的输出Uo1为

' Uo1=K1(Ui+Uos1)+Kc1Uc+K1Uo2

6

式中K1、Kc1---分别为运算放大器N1的开环放大倍数和开环共模放大倍数； Uos1----运算放大器N1的输入失调电压；

'K1-----运算放大器N1由侧向端A1输入时的放大倍数。

将Uo2= K2Ui代入上式，则得

'Uo1=（K1+ K1K2）Ui+ K1Uos1+ Kc1Uc

''上式中的（K1+ K1K2）为整个放大器的开环放大倍数，一般设计中可使K1? K1 ，

K2》1，所以该放大器开环放大倍数近似为K1K2，电路增益大为提高，可达140-160dB。上式中的（K1Uos1+ Kc1Uc）为输入失调电压和共模信号产生的误差项，其中失调电压K1Uos1误差项可等效为输入失调电压 UOS=

K1Uos1Uos1Uos1 ??K2K1?K1'K21?K2可见，整个集成运算放大器的失调电压为UOS，相当于把N1的输入失调电压Uos1缩小至1/K2，K2约100dB,则UOS可小于1uV。共模信号误差项Kc1Uc相当于输入端的共模误差电压 U'c=

Kc1UcKc1UcUcUc== ?K1K2K2CMRR1CMRRK1?K1'K2所以CMRR=K2CMMRR1,因此整个集成运算放大器的共模抑制比CMRR比N1的共模抑制比CMMRR1提高了K2倍。内部的钳位电路是用来防止因强干扰而使输入阻塞。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[11]。但它是低压CMOS器件，其电源电压的典型值为?6伏，焊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.自动调零电路的应用

3.1AD8230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。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

7

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被存储在CSAMPLE上，共模电压被抑制[14]。在此期间，增益放大器与前置放大器断开，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

8

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。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

9

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‰。

3.2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[15]。放大电路基本上是采用运算器为核心组成，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。

图7采用AD7791的电子秤系统

10

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

11

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

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:

[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，2009：34-37.

[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]. Texas US:Texas Instruments Incorporated，2001:45-48.

[10] Texas Instruments.ADS8346，Analog-to-digital converters data manual[M]. Texas US:Burr-Brown Incorporated,2002:134-150.

[11] Texas Instruments. TMS320C28x instruction set simulator technical overview[M]. Texas US: Texas Instruments Incorporated，2001:77-79.

[12] 杨帮文.新型实用功率放大电路集锦[M].北京：人民邮电出版社，1999:55-60

[13] 顾树川，张国茗.秦山i期CANDU6型重水堆核电站[J].能源研究与信息，1996(4)：43—48． [14] 罗志远,王广金等.研究堆低压电气贯穿件导体组件的研制[J].核动力工程，2007,28(2):74-75. [15] 刘君华.虚拟仪器编程语言Labwindows／CVI[M].北京：电子工业出版社，2001:77-89.

12

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/1j9d.html