Усилители с нулевым дрейфом: теперь их легко использовать в высокоточных схемах

Усилитель с нулевым дрейфом, как следует из названия, представляет собой усилитель с дрейфом напряжения смещения, очень близким к нулю. Он использует технологию автоматического обнуления или прерывания, или их комбинацию, для непрерывной самокоррекции ошибок постоянного тока с течением времени и температуры. Это позволяет усилителю достигать микровольтных смещений и чрезвычайно низких дрейфов смещения. Таким образом, он идеально подходит для использования в схемах преобразования сигналов с высоким коэффициентом усиления и точными характеристиками. Например, датчик (такой как датчик температуры, давления или тензодатчика) обычно выдает выходное напряжение низкого уровня и, следовательно, требует усилителя для усиления его выходного сигнала без внесения дополнительных ошибок. Усилители с нулевым дрейфом, разработанные для сверхнизкого напряжения смещения и дрейфа, высокого подавления синфазных помех, высокого подавления помех от источника питания и снижения шума 1 / f, являются идеальным выбором для достижения высокого уровня разрешения в сложных системных приложениях, таких как зондирования, с длительным жизненным циклом продукта. Базовая архитектура усилителя с нулевым дрейфом На рис. 1 показана принципиальная схема базового усилителя с прерыванием в конфигурации с единичным усилением. Тракт усиления постоянного тока состоит из входной цепи переключателя с прерыванием (CHOPIN), первого усилителя крутизны (Gm1), выходной цепи переключателя прерывания (CHOPOUT), второго усилителя крутизны (Gm2) и конденсаторов частотной компенсации (C1 и C2). CHOP и CHOP 'управляются тактовым генератором и предназначены для коррекции нежелательного напряжения смещения постоянного тока усилителя (VOS). На рисунке 2 показана соответствующая временная диаграмма и ожидаемое выходное напряжение (VOUT). Когда синхросигнал CHOP высокий (фаза A), дифференциальный вход и выход усилителя Gm1 подключаются к тракту сигнала без инверсии. Это приводит к положительному выходному напряжению VOUT из-за наличия VOS. Когда тактовый сигнал CHOP имеет высокий уровень (фаза B), вход и выход Gm1 подключаются к сигнальному тракту с инверсией, что приводит к отрицательному выходному напряжению из-за VOS. Положительное и отрицательное выходное напряжение Gm1 дает выходное напряжение, равное ± VOS. Эта концепция прерывания во временной области аналогична модуляции в частотной области. Другими словами, напряжение смещения Gm1 модулируется с помощью CHOPOUT до частоты прерывания. С другой стороны, входной сигнал дважды прерывается CHOPIN и CHOPOUT. Это эквивалентно повышающей модуляции входного сигнала, а затем понижающей модуляции до исходной частоты. Следовательно, входной сигнал поступает на выход без инверсии. Положительное и отрицательное выходное напряжение (± VOS) от Gm1 проявляется в виде пульсаций напряжения на VOUT (рисунок 2). Кроме того, тактовые импульсы CHOP и CHOP 'связаны с выводами дифференциального входа через паразитные емкости, связанные с переключателями. Когда часы изменяют состояние, заряды вводятся в контакты дифференциального входа. Эти инжекции заряда преобразуются в скачки выходного напряжения через конечные входные сопротивления источника. Величина и форма выбросов зависят от величины и согласования импедансов входного источника и инжекции заряда на дифференциальных входных контактах. Эти выходные пульсации и глюки вызывают артефакты переключения, которые проявляются в виде увеличения спектра шума на частоте прерывания и его множественных целочисленных частотах. Кроме того, величина и частота артефактов переключения различаются для каждого усилителя с нулевым дрейфом и от устройства к устройству. В этой статье термины прерывание и частота переключения используются как синонимы. Рисунок 1. Рубящая архитектура. Рисунок 2. Временная диаграмма измельчения. Артефакты переключения, показанные в таблице данных Традиционно усилители с нулевым дрейфом имеют довольно большой широкополосный шум и низкие частоты переключения, от нескольких килогерц до нескольких десятков килогерц. Это ограничивает их использование приложениями с постоянным током и частотой ниже 100 Гц, так что частота переключения остается вне интересующей полосы частот сигнала. Для приложений, требующих высокой точности и низкого дрейфа при более высокой полосе пропускания, важно использовать усилитель с нулевым дрейфом с более высокой частотой переключения. Фактически, частота переключения иногда рассматривается как показатель качества для усилителей с нулевым дрейфом. Благодаря усовершенствованной архитектуре дизайна новые усилители с нулевым дрейфом имеют меньшие артефакты переключения на гораздо более высоких частотах. Например, в дополнение к прерыванию напряжения смещения на частоте 4.8 МГц, ADA4522-2, высоковольтный двойной усилитель с нулевым дрейфом, использует запатентованную схему петли смещения и коррекции пульсаций для минимизации артефактов переключения. Контур коррекции работает на частоте 800 кГц и предназначен для обнуления напряжения смещения ± VOS (как показано на рисунке 2). Уменьшение ± VOS до 1% от исходного значения обеспечивает улучшение артефакта переключения на 40 дБ. Это сокращает усилия разработчика системы по достижению заданной точности системного уровня. Самый простой способ обнаружить артефакт переключения - это наблюдать за спектром плотности шума напряжения усилителя. На рисунке 3 показан график плотности шума при приведенном входном напряжении ADA4522-2. Обратите внимание, что канал B демонстрирует увеличение спектра шума на частоте переключения 800 кГц. Это увеличение спектра шума, как описано в предыдущей части этой статьи, является побочным продуктом несоответствия инжекции заряда. Поскольку рассогласование зависит от части к части и от канала к каналу, величина всплесков шума различна, и не все устройства демонстрируют всплеск шума. Например, канал A того же устройства не показывает всплесков шума на частоте переключения 800 кГц. Частоты переключения также могут отличаться от 10% до 20% от устройства к устройству из-за изменения частоты встроенного тактового генератора. Рисунок 3. ADA4522-2 Плотность шума напряжения. Сравнение шума между различными усилителями с нулевым дрейфом На рис. 4 показана приведенная к входу плотность шума напряжения трех различных передних высоковольтных усилителей с нулевым дрейфом. Обратите внимание, что все три протестированных усилителя с нулевым дрейфом демонстрируют какие-то артефакты переключения. Некоторые из артефактов переключения также повторяются на нескольких целочисленных частотах. Эти артефакты переключения могут быть значительными и вносить ошибки в конструкцию схемы. Следовательно, важно понимать их влияние на цепь и найти способы смягчить этот эффект. Если усилитель имеет частоту замкнутого контура, превышающую частоту переключения, это увеличение спектра шума будет интегрировано по всей полосе пропускания и отражаться на выходе. Мало того, этот приведенный к входу шум напряжения будет увеличиваться за счет усиления шума усилителя. Например, предположим, что усилитель сконфигурирован с коэффициентом усиления 100, эффективная приведенная к выходному напряжению плотность шума шума также увеличится в 100 раз. Рисунок 4. Плотность шума напряжения различных усилителей с нулевым дрейфом. Рисунок 5. Встроенный шум выходного напряжения. Суммарный среднеквадратичный шум, который интегрируется на выходе усилителя, зависит от полосы пропускания усилителя. Шум выходного напряжения спадает с доступной полосой пропускания; следовательно, чем выше коэффициент усиления или полоса пропускания, тем выше амплитуда шума выходного усилителя. На рисунке 5 показан график зависимости интегрированного шума выходного напряжения от частоты. Это полезный график для понимания общего интегрального шума по отношению к частоте. Например, если полоса пропускания усилителя ограничена 100 кГц с помощью фильтрации, общий выходной шум из-за собственных шумов напряжения усилителя можно считать по графику и будет выглядеть следующим образом: Таблица 1. Выходной интегрированный усилитель шума Выходной шум (мкВ среднеквадратичного значения) Размах выходного шума (мкВ пик.) ADA4522-2 1.91 12.61 Усилитель A 3.33 21.98 Усилитель B 6.40 42.24 Использование общего множителя (называемого пик-фактором) для преобразования среднеквадратичного напряжения в пиковое. размах напряжения, оценка размаха шума показана в третьем столбце таблицы 1. В системе с напряжением 5 В ADA4522-2 обеспечит размах разрешения 18.6 бит, тогда как усилитель B обеспечивает разрешение 16.8 бит. Всегда желательно иметь более низкий общий интегрированный выходной шум, поскольку он увеличивает отношение сигнал / шум и обеспечивает более высокое разрешение для всей системы. Еще одна интересная вещь, которую следует отметить в связи с рисунком 5, заключается в том, что интегральный шум возрастает ступенчато на частотах всплесков шума. Шумовые пики (с повышенной энергией шума), хотя и узкие, значительно увеличивают общий выходной интегрированный шум. Артефакты переключения во временной области Часто артефакты переключения можно четко увидеть в спектре плотности шума напряжения в частотной области. Чтобы понять поведение артефакта переключения во времени, можно сконфигурировать усилитель в буферной конфигурации с заземленным неинвертирующим контактом и напрямую контролировать выход с помощью осциллографа. На рисунке 6 показан типичный выходной сигнал двух усилителей с нулевым дрейфом. Обратите внимание, что на усилителе A наблюдаются скачки выходного напряжения различной амплитуды. Пики повторяются каждые 0.66 мкс. Это соответствует всплескам шума, которые видны на частоте 1.51 МГц на Рисунке 4. С другой стороны, ADA4522-2 не обнаруживает артефактов переключения во временной области (синий график). Другими словами, существующие всплески шума находятся ниже минимального уровня шума измерительной системы и не могут быть обнаружены. Это позволяет разработчикам использовать ADA4522-2 в таких приложениях, как управление АЦП, с уверенностью, что скачки шума не будут проблемой. Рисунок 6. Шум выходного напряжения во временной области. Фильтры для смягчения артефактов переключения Рисунок 7. Усилитель с нулевым дрейфом и фильтром. Рисунок 8. Плотность шума напряжения усилителя с нулевым дрейфом и единичным усилением с постфильтром. Чтобы уменьшить влияние артефактов переключения, можно реализовать несколько методов. Эти методы в конечном итоге приводят к ограничению полосы пропускания усилителя так, чтобы она была меньше частоты переключения. Использование фильтра - эффективный способ подавить всплески шума. Самый простой вариант - разместить на выходе усилителя цепь резистор-конденсатор, чтобы создать фильтр нижних частот (рис. 7A). На рисунке 8 показана плотность шума напряжения усилителя с нулевым дрейфом и постфильтром, рассчитанным на одну или две декады ниже частоты переключения. Пик шума на частоте 800 кГц снижается с 36 нВ / √Гц (без постфильтра) до 4.1 нВ / √Гц (постфильтр на 80 кГц), что ниже уровня низкочастотного широкополосного шума усилителя. Если постфильтр расположен на два десятилетия ниже частоты переключения (постфильтр на 8 кГц), пик шума больше не виден, и ADA4522-2 выглядит как любой другой традиционный усилитель. Некоторые приложения могут не допускать наличия RC-цепи на выходе усилителя. Выходной ток усилителя, протекающий через резистор фильтра, создает смещение напряжения, которое приводит к ошибке на выходе. В этом случае можно выбрать фильтрацию всплесков шума, поместив конденсатор обратной связи через контур обратной связи (рис. 7 (b)). На рисунке 9 показана зависимость плотности шума от выходного напряжения усилителя с коэффициентом усиления 10 без фильтрации. наличие постфильтра или фильтра обратной связи, расположенного на декаду ниже частоты переключения. Конфигурация постфильтра более эффективна в качестве фильтра нижних частот, чем конденсатор обратной связи. Рисунок 9. Артефакт переключения уменьшается с помощью фильтров. Использование усилителей с нулевым дрейфом в конфигурации с высоким коэффициентом усиления помогает Многие разработчики использовали усилители с нулевым дрейфом, но не наблюдали каких-либо артефактов переключения в их системе. Одна из причин может быть связана с конфигурацией усилителя. Усилители с нулевым дрейфом имеют низкий дрейф и смещение и чаще всего используются для сигнализации состояния сигнала датчика с низким уровнем амплитуды в конфигурации с высоким коэффициентом усиления, например, с коэффициентом усиления от 100 до 1000. Использование усилителя в конфигурации с высоким коэффициентом усиления дает тот же эффект, что и установка на усилитель фильтра нижних частот. По мере увеличения усиления пропускная способность уменьшается. На рисунке 10 показано, как конфигурация с высоким коэффициентом усиления снижает эффект переключения. При коэффициенте усиления замкнутого контура, равном 100, артефакт переключения едва ли можно увидеть на графиках шума. Рисунок 10. Спад полосы пропускания усилителя с усилением. Преимущества ADA4522-2 в качестве усилителя с нулевым дрейфом В новейшем операционном усилителе с нулевым дрейфом ADA4522-2 компании Analog Devices используется запатентованная инновационная топология схемы для достижения высокой частоты переключения и минимизации артефактов переключения по сравнению с ее предшественники. При полосе пропускания с единичным усилением на уровне 3 МГц и частоте переключения на уровне 800 кГц и 4.8 МГц конфигурации усиления 40 достаточно для фильтрации артефактов переключения и устранения необходимости во внешней фильтрации нижних частот. Низкий дрейф напряжения смещения (максимум 22 нВ / ° C), низкий уровень шума при 5.8 нВ / √Гц (коэффициент усиления 100), низкий входной ток смещения (максимум 150 пА), высокий уровень подавления синфазного сигнала и подавления источника питания делают его незаменимым. идеальный выбор для прецизионных приложений, таких как весы, датчики тока, внешние интерфейсы датчиков температуры, тензодатчики и мостовые преобразователи, а также для многих других приложений, критичных к дрейфу. Выводы Усилители с нулевым дрейфом обладают очень низким напряжением смещения и дрейфом и являются идеальным выбором для приложений, требующих точного усиления сигналов низкого уровня. Вот несколько советов при его использовании. Все усилители с нулевым дрейфом демонстрируют своего рода артефакты переключения, которые чаще всего можно обнаружить на графиках плотности шума напряжения. Величина артефакта переключения различается от устройства к устройству. Частота коммутации может отличаться от блока к блоку до 20%. Артефакты переключения могут быть обнаружены как в частотной, так и во временной области. В зависимости от приложения они могут представлять ошибки. Усилители с нулевым дрейфом часто используются в конфигурации с высоким коэффициентом усиления, где полоса пропускания сокращается и, таким образом, во много раз артефакты переключения не представляют проблемы. Важно уменьшить артефакты переключения, чтобы уменьшить количество ошибок вывода. Примените фильтр нижних частот (RC-постфильтр или конденсатор обратной связи), чтобы уменьшить полосу пропускания усилителя до частоты переключения, чтобы подавить артефакты. Высокая частота переключения упрощает требования к фильтру для получения широкой, полезной и свободной от артефактов полосы пропускания.

Оставить сообщение 

Список сообщений