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

1 / 6

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

2 / 6

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

3 / 6

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

4 / 6

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

5 / 6

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

6 / 6