仪表放大器经历了漫长的发展过程,最初是采用双运算和三运算放大器(简称运放)的传统仪表放大器,或者是简单的差动差分放大器(DDA)。它们具有不同的拓朴结构,用于满足来自各种不同应用领域的广泛需求。
传统的仪表放大器以双极和JFET工艺为设计基础,可提供宽广的动态范围和良好的信噪比。如今,几乎在所有应用和数据转换器中都使用低电压对信号进行数字化处理,这使得CMOS工艺在仪表放大器领域有了较大的发展和改进。
基于CMOS工艺的仪表放大器,具有同等双极和JFET仪表放大器所无法比拟的优点。与双极输入设备相比,CMOS仪表放大器的输入偏置电流非常低,因此容易与单芯片逻辑功能结合以连接ADC。虽然如此,它们也有不足之处。其中一个主要缺点就是与CMOS关联产生的噪声问题,它通常比双极放大器的噪声高很多,特别是处于由闪烁噪声或1/f噪声控制的低频范围内。
然而智能设计可以解决这类问题并提供噪声、功耗和速度的最佳组合,以实现最优选择。克服该缺点的一种方法是将CMOS仪表放大器与斩波和自动归零之类的动态偏移补偿技术相结合。
自归零与斩波的区别
斩波与自动归零的一个重要区别在于:斩波是调制技术,它会产生大量斩波频率的斩波器噪声;而自动归零是采样技术,它能通过重叠噪声来增强可观察到的低频噪声。将这两种技术相结合的优势在于:通过对放大器进行斩波,可将与自动归零关联的增强低频噪声调制为较高的频率,而自动归零则可降低与斩波关联的斩波器噪声。
具有这种组合拓朴结构的典型例子是美国国家半导体的LMP8358仪表放大器(图1),它能通过SPI兼容串行接口或平行模式,在增益设置(从10到1000)之间进行无低频干扰的转换。但是,由于自动归零和斩波技术会留有少量纹波,因此在将放大器与高分辨率数据转换器连接时,不妨考虑使用有源滤波进行抗混叠滤波