自调零技术工作原理详解
自调零技术工作原理详解
自调零技术是一种先进的动态失调校准技术，广泛应用于高性能模拟电路设计中。与传统的失调trimming技术相比，自调零技术能够周期性地测量和校准失调电压，有效减小失调漂移和1/f噪声。本文将深入探讨自调零技术的工作原理、剩余失调电压的来源及其影响因素，以及噪声功率谱密度的变化。
基本工作原理
自调零运放的基本结构如图1所示。输入、输出跨导级Gm1、Gm2构成信号通路；开关S1-8、自调零跨导级Gmaz、自调零电容Caz1-2构成自调零系统，用来测量、采样和校准失调输入跨导Gm1的失调电压Vos1。开关S1-8由互补时钟ΦAZ和ΦAZINV驱动，在自调零频率fAZ下工作。
在自调零相位ΦAZ阶段，ΦAZ为高电平，Gm1的差分输入短接到输入共模电压VCM，其输出端与Gmaz输入端相连，形成了一个自调零反馈环路。假设该环路增益Avza有限，那校准电压Vcorr可以推出来为：
从公式看出，Vos1被Gmza校准了。当ΦAZ变低时，校准电压Vcorr就被自调零电容Caz1-2采样。接下来就进入信号放大阶段，Gm1的差分输入、输出连接到信号通路上，使运放对输入信号进行放大。原则上来看产生的失调电压为零，因为Vos1仍然被GmAZ与前一个自调零阶段的采样电压Vcorr抵消。
图1 自调零运放结构示意图
剩余失调电压分析
尽管自调零技术能够显著减小失调电压，但仍存在一些剩余失调电压。其主要来源包括：
- 自调零反馈环路的环路增益Avaz有限，导致一个误差电压；
- Gmaz自生存在失调Vosaz；
- 当采样开关S7、S8关断时，具有电荷注入q7、q8，该电荷注入失配ΔqAZ8,7 = qAZ8 –qAZ7 流入CAZ1-2，并产生另一个误差电压。
因此，校准电压Vcorr包括整个误差电压Vcorr，推导出来为：
等效到整个运放的输入端后，乘以GmAZ/Gm1，推导后得到的输入剩余失调电压为：
从该公式中可以看到，要最小化Vos,res，需要提高自调零环路增益Avaz、增大自调零电容CAZ1-2、Gmaz相对于Gm1应该减小。但是，GmAZ的尾电流必须覆盖住Gm1的最大失调电流。因此，应采用长沟道MOS器件或电阻退化来减小跨导Gmaz。
例如：取Avaz=80dB，10mV的初始失调Vos1会导致1uV剩余失调。此外，当Caz1,2=10pF和Gmaz/Gm1=0.1时，1fC电荷注入失配将产生10µV的剩余失调。
噪声功率谱密度分析
Gm1的低频噪声分量也随失调会一起被CAZ1、2采样，然后被有效抵消。另一方面，高频噪声分量在采样后变化很快，无法有效抵消。此外，在失调被采样时，fAZ/2频率以上的噪声PSD被折叠回DC和fAZ/2之间的基带频率内，如图2所示。
图2 自调零采用时的噪声折叠
噪声折叠系数nfold定义为自调零环路带宽fAZ,BW与fAZ之比，其表达式为：
nfold越大，产生的噪声PSD越大。一般要求fAZ,BW>fAZ，是为了保证自调零环路在一个自调零相位内可以建立起来。
通过设置fAZ远高于其转角频率fc，1/f噪声被有效降低。但是，在fAZ/2以下，由于噪声折叠，噪声PSD高于初始热噪声底噪。所以，噪声折叠是降低自调零运算放大器NEF的一个缺点。下面文献提到一种一种慢自动归零环路，使得nfold<1，不过产生的噪声PSD仍超过初始热噪声底噪的√2倍。
参考文献
A 140 dB-CMRR current-feedback instrumentation amplifier employing ping-pong auto-zeroing and chopping