Amplificatori a deriva zero: ora facili da usare in circuiti ad alta precisione

Un amplificatore a deriva zero, come suggerisce il nome, è un amplificatore con deriva della tensione di offset molto vicina allo zero. Utilizza la tecnologia di azzeramento automatico o di taglio, o una combinazione di entrambi, per autocorreggersi continuamente per errori cc nel tempo e nella temperatura. Ciò consente all'amplificatore di ottenere offset a livello di microvolt e derive di offset estremamente basse. Pertanto, è particolarmente adatto per essere utilizzato in circuiti di condizionamento del segnale con prestazioni di alto guadagno e precisione. Ad esempio, un sensore (come un sensore di temperatura, pressione o cella di carico) produce tipicamente una tensione di uscita di basso livello e quindi richiede un amplificatore per amplificare la sua uscita senza introdurre errori aggiuntivi. Gli amplificatori a deriva zero, progettati per una tensione e una deriva offset ultrabasse, un'elevata reiezione di modo comune, un'elevata reiezione dell'alimentazione e un rumore 1/f ridotto, sono la scelta ideale per ottenere un alto livello di risoluzione in un'applicazione di sistema esigente, come rilevamento, con un lungo ciclo di vita del prodotto. Architettura di base di un amplificatore a deriva zero La Figura 1 mostra lo schema circuitale di un amplificatore chopper di base in configurazione a guadagno unitario. Il percorso del guadagno in cc è costituito da una rete di interruttori di taglio di ingresso (CHOPIN), un primo amplificatore di transconduttanza (Gm1), una rete di interruttori di taglio di uscita (CHOPOUT), un secondo amplificatore di transconduttanza (Gm2) e condensatori di compensazione della frequenza (C1 e C2). CHOP e CHOP' sono controllati da un generatore di clock e funzionano per correggere la tensione di offset in cc dell'amplificatore (VOS) indesiderata. La Figura 2 mostra il diagramma temporale associato e la tensione di uscita prevista (VOUT). Quando il segnale di clock CHOP è alto (fase A), l'ingresso e l'uscita differenziali dell'amplificatore Gm1 sono collegati al percorso del segnale senza inversione. Ciò si traduce in una tensione di uscita positiva, VOUT, dovuta alla presenza di VOS. Quando il segnale di clock del CHOP' è alto (fase B), l'ingresso e l'uscita di Gm1 sono collegati al percorso del segnale con inversione, risultando in una tensione di uscita negativa dovuta a VOS. Le tensioni di uscita positiva e negativa da Gm1 risultano in una tensione di uscita pari a ±VOS. Questo concetto di taglio nel dominio del tempo è simile alla modulazione nel dominio della frequenza. In altre parole, la tensione di offset di Gm1 è up-modulata da CHOPOUT alla frequenza di taglio. D'altra parte, il segnale in ingresso viene tagliato due volte da CHOPIN e CHOPOUT. Ciò è equivalente al segnale di ingresso che viene modulato verso l'alto e quindi modulato verso il basso alla sua frequenza originale. Quindi, il segnale di ingresso arriva all'uscita senza inversione. Le tensioni di uscita positiva e negativa (±VOS) da Gm1 appaiono come increspature di tensione su VOUT (Figura 2). Inoltre, i clock CHOP e CHOP' sono accoppiati ai pin di ingresso differenziale tramite capacità parassite associate agli interruttori. Quando gli orologi cambiano stato, le cariche vengono iniettate nei pin di ingresso differenziale. Queste iniezioni di carica vengono tradotte in glitch della tensione di uscita tramite le impedenze della sorgente di ingresso finite. L'entità e la forma dei glitch dipendono dalla quantità e dall'adattamento delle impedenze della sorgente di ingresso e dalle iniezioni di carica ai pin di ingresso differenziali. Queste increspature e glitch di uscita introducono artefatti di commutazione che appaiono come aumenti dello spettro del rumore alla frequenza di taglio e alle sue frequenze intere multiple. Inoltre, l'ampiezza e le frequenze degli artefatti di commutazione differiscono per ciascun amplificatore a deriva zero e da unità a unità. In questo articolo, il termine triturazione e frequenza di commutazione sono usati in modo intercambiabile. Immagine 1. Architettura tagliente. Immagine 2. Diagramma dei tempi di taglio. Artefatti di commutazione come mostrato su una scheda tecnica Tradizionalmente, gli amplificatori a deriva zero hanno un rumore a banda larga abbastanza grande e basse frequenze di commutazione, che vanno da pochi kilohertz a poche decine di kilohertz. Ciò limita il loro utilizzo alle applicazioni cc e sub-100 Hz in modo che la frequenza di commutazione rimanga al di fuori della larghezza di banda del segnale di interesse. Per le applicazioni che richiedono un'elevata precisione e una deriva ridotta a una larghezza di banda maggiore, è importante utilizzare un amplificatore a deriva zero con una frequenza di commutazione più elevata. In effetti, la frequenza di commutazione è talvolta vista come la cifra di merito per gli amplificatori a deriva zero. Con architetture di design avanzate, i nuovi amplificatori a deriva zero sono progettati per avere artefatti di commutazione più piccoli a frequenze molto più elevate. Ad esempio, oltre a tagliare la tensione di offset a 4.8 MHz, l'ADA4522-2, un doppio amplificatore a deriva zero ad alta tensione, utilizza un circuito brevettato di compensazione dell'offset e dell'ondulazione per ridurre al minimo gli artefatti di commutazione. L'anello di correzione opera a 800 kHz e funziona per annullare la tensione di offset, ±VOS (come mostrato nella Figura 2). La riduzione di ±VOS all'1% del suo valore originale fornisce un miglioramento di 40 dB nell'artefatto di commutazione. Ciò riduce lo sforzo del progettista del sistema per ottenere una precisione a livello di sistema mirata. Il modo più semplice per rilevare l'artefatto di commutazione è osservare lo spettro di densità del rumore di tensione dell'amplificatore. La Figura 3 mostra il grafico della densità del rumore di tensione riferito all'ingresso dell'ADA4522-2. Si noti che il canale B mostra un aumento dello spettro del rumore alla sua frequenza di commutazione di 800 kHz. Questo aumento dello spettro del rumore, come descritto nella parte precedente di questo articolo, è il sottoprodotto della mancata corrispondenza dell'iniezione di carica. Poiché la mancata corrispondenza dipende da parte a parte e da canale a canale, l'entità dei picchi di rumore è diversa e non tutte le unità presentano il picco di rumore. Ad esempio, il canale A della stessa unità non presenta picchi di rumore alla frequenza di commutazione di 800 kHz. Le frequenze di commutazione potrebbero anche differire fino a un fattore dal 10% al 20% da unità a unità a causa della variazione di frequenza dell'oscillatore di clock sul chip. Immagine 3. Densità di rumore di tensione ADA4522-2. Confronto del rumore tra diversi amplificatori a deriva dello zero La Figura 4 mostra la densità di rumore di tensione riferita all'ingresso di tre diversi amplificatori a deriva dello zero ad alta tensione all'avanguardia. Si noti che tutti e tre gli amplificatori a deriva zero testati mostrano una sorta di artefatti di commutazione. Alcuni degli artefatti di commutazione si ripetono anche alle sue frequenze intere multiple. Questi artefatti di commutazione potrebbero essere significativi e potrebbero introdurre errori nella progettazione di un circuito. Quindi, è importante capire il loro impatto su un circuito e trovare modi per mitigare l'effetto. Se l'amplificatore ha una frequenza ad anello chiuso superiore alla frequenza di commutazione, questo aumento dello spettro del rumore sarà integrato sull'intera larghezza di banda e si rifletterà sull'uscita. Non solo, questo rumore di tensione riferito all'ingresso sarà acquisito dal guadagno di rumore dell'amplificatore. Ad esempio, supponendo che l'amplificatore sia configurato con un guadagno di 100, anche l'effettiva densità di rumore di tensione riferita all'uscita aumenterebbe di un fattore 100. Immagine 4. Densità di rumore di tensione di diversi amplificatori a deriva zero. Immagine 5. Rumore di tensione di uscita integrato. Il rumore rms totale integrato all'uscita di un amplificatore dipende dalla larghezza di banda dell'amplificatore. Il rumore della tensione di uscita si attenua con la larghezza di banda disponibile; pertanto, maggiore è il guadagno o maggiore è la larghezza di banda, maggiore è l'ampiezza del rumore dell'amplificatore di uscita. La Figura 5 mostra un grafico del rumore della tensione di uscita integrata vs. frequenza. Questo è un grafico utile per comprendere il rumore integrato totale rispetto a una frequenza. Ad esempio, se la larghezza di banda dell'amplificatore è limitata a 100 kHz mediante filtraggio, il rumore di uscita totale dovuto al rumore di tensione intrinseco dell'amplificatore può essere letto dal grafico e sarà il seguente: Tabella 1. Rumore di uscita integrato Amplificatore Rumore di uscita (µV rms) Rumore di uscita picco-picco (µV pp) ADA4522-2 1.91 12.61 Amplificatore A 3.33 21.98 Amplificatore B 6.40 42.24 Utilizzo di un moltiplicatore comune (chiamato fattore di cresta) per convertire la tensione efficace in picco- tensione a picco, una stima del rumore da picco a picco è mostrata nella terza colonna della Tabella 1. In un sistema a 5 V, l'ADA4522-2 fornirebbe 18.6 bit di risoluzione picco-picco, mentre l'amplificatore B fornisce 16.8 bit di risoluzione picco-picco. Avere un rumore di uscita integrato totale inferiore è sempre desiderabile in quanto aumenta il rapporto segnale-rumore e consente una risoluzione più elevata per l'intero sistema. Un'altra cosa interessante da notare sulla Figura 5 è che il rumore integrato aumenta con una funzione a gradino alle frequenze dei picchi di rumore. I picchi di rumore (con energie di rumore aumentate), sebbene ristretti, aggiungono significativamente al rumore integrato in uscita totale. Artefatti di commutazione nel dominio del tempo Spesso, gli artefatti di commutazione possono essere chiaramente visti nello spettro di densità del rumore di tensione nel dominio della frequenza. Per comprendere il comportamento basato sul tempo dell'artefatto di commutazione, è possibile configurare l'amplificatore in una configurazione buffer con il pin non invertente messo a terra e monitorare direttamente l'uscita con un oscilloscopio. La Figura 6 mostra l'uscita tipica di due amplificatori a deriva zero. Si noti che l'amplificatore A mostra picchi di tensione di uscita in varie ampiezze. I picchi si ripetono ogni 0.66 µs Questo corrisponde ai picchi di rumore che si vedono a 1.51 MHz nella Figura 4. D'altra parte, l'ADA4522-2 non mostra alcun artefatto di commutazione nel dominio del tempo (grafico blu). In altre parole, i picchi di rumore esistenti sono al di sotto del rumore di fondo del sistema di misurazione e non possono essere rilevati. Ciò consente ai progettisti di utilizzare l'ADA4522-2 in applicazioni come il pilotaggio di un ADC con la certezza che i picchi di rumore non saranno un problema. Immagine 6. Rumore della tensione di uscita nel dominio del tempo. Filtri per mitigare gli artefatti di commutazione Figura 7. Amplificatore a deriva zero con configurazione del filtro. Immagine 8. Densità di rumore di tensione di un amplificatore a deriva zero a guadagno unitario con post-filtro. Per ridurre l'impatto degli artefatti di commutazione, è possibile implementare un paio di metodi. Questi metodi alla fine portano a limitare la larghezza di banda dell'amplificatore in modo tale che sia inferiore alla frequenza di commutazione. L'uso di un filtro è un modo efficace per sopprimere i picchi di rumore. Il progetto più semplice consiste nel posizionare una rete di resistori-condensatori all'uscita dell'amplificatore per creare un filtro passa basso (Figura 7A). La Figura 8 mostra la densità del rumore di tensione di un amplificatore a deriva zero con un post-filtro progettato a una o due decadi al di sotto della frequenza di commutazione. Il picco di rumore a 800 kHz si riduce da 36 nV/√Hz (nessun post-filtro) a 4.1 nV/√Hz (post-filtro a 80 kHz), che è al di sotto del livello di rumore a banda larga a bassa frequenza dell'amplificatore. Con un post-filtro posizionato due decenni al di sotto della frequenza di commutazione (post-filtro a 8 kHz), il picco di rumore non è più visibile e l'ADA4522-2 assomiglia a qualsiasi altro amplificatore tradizionale. Alcune applicazioni potrebbero non tollerare di avere una rete RC all'uscita dell'amplificatore. La corrente di uscita dell'amplificatore che scorre attraverso il resistore di filtro crea un offset di tensione che introduce un errore di uscita. In questo caso, si può scegliere di filtrare i picchi di rumore posizionando un condensatore di retroazione attraverso il circuito di retroazione (Figura 7 (b)). La Figura 9 mostra la densità di rumore della tensione di uscita di un amplificatore configurato con guadagno di 10 senza filtraggio rispetto a avere un post-filtro o un filtro di retroazione posizionato un decennio al di sotto della frequenza di commutazione. La configurazione post-filtro è più efficace come filtro passa basso rispetto al condensatore di retroazione. Immagine 9. L'artefatto di commutazione si riduce con i filtri. L'utilizzo di amplificatori a deriva zero nella configurazione ad alto guadagno aiuta Molti progettisti hanno utilizzato amplificatori a deriva zero, ma non hanno osservato alcun artefatto di commutazione nel loro sistema. Uno dei motivi potrebbe essere dovuto alla configurazione dell'amplificatore. Gli amplificatori a deriva zero hanno una deriva e un offset bassi e sono più spesso utilizzati per segnalare la condizione di un segnale del sensore di ampiezza di basso livello in una configurazione ad alto guadagno, ad esempio un guadagno da 100 a 1000. L'utilizzo dell'amplificatore in una configurazione ad alto guadagno ha lo stesso effetto del posizionamento di un filtro passa-basso sull'amplificatore. All'aumentare del guadagno, la larghezza di banda diminuisce. La Figura 10 illustra come avere una configurazione ad alto guadagno mitiga l'effetto di commutazione. Con un guadagno ad anello chiuso di 100, l'artefatto di commutazione è difficilmente visibile nei grafici del rumore. Immagine 10. Roll-off della larghezza di banda dell'amplificatore con guadagno. I vantaggi di ADA4522-2 come amplificatore a deriva zero Il più recente amplificatore operazionale a deriva zero di Analog Devices, l'ADA4522-2, utilizza una topologia di circuito brevettata e innovativa per ottenere un'elevata frequenza di commutazione e ridurre al minimo gli artefatti di commutazione rispetto al suo predecessori. Con una larghezza di banda a guadagno unitario a 3 MHz e una frequenza di commutazione a 800 kHz e 4.8 MHz, una configurazione di guadagno di 40 è sufficiente per filtrare gli artefatti di commutazione ed elimina la necessità di un filtro passa-basso esterno. La sua bassa deriva di tensione di offset di 22 nV/°C massimo, basso rumore a 5.8 nV/√Hz (guadagno di configurazione 100), bassa corrente di polarizzazione in ingresso a 150 pA massimo, elevata reiezione di modo comune e reiezione dell'alimentatore lo rendono un scelta ideale per applicazioni di precisione come bilancia, rilevamento della corrente, front-end di sensori di temperatura, celle di carico e trasduttori a ponte e molte altre applicazioni critiche per la deriva. Conclusioni Gli amplificatori a deriva zero presentano una tensione e una deriva di offset molto basse e sono la scelta ideale per applicazioni che richiedono un'amplificazione di precisione di segnali di basso livello. Ecco un paio di informazioni sull'utilizzo di uno. Tutti gli amplificatori a deriva zero mostrano una sorta di artefatti di commutazione e questo può essere rilevato più comunemente nei grafici della densità del rumore di tensione. L'entità dell'artefatto di commutazione varia da unità a unità. La frequenza di commutazione può variare da unità a unità fino a un fattore del 20%. Gli artefatti di commutazione possono essere rilevati nel dominio della frequenza e del tempo. A seconda dell'applicazione, potrebbero presentare errori. Gli amplificatori a deriva zero sono spesso utilizzati in una configurazione ad alto guadagno, in cui la larghezza di banda è ridotta e quindi molte volte, gli artefatti di commutazione non rappresentano un problema. È importante mitigare gli artefatti di commutazione per ridurre la quantità di errori di output. Applicare un filtro passa basso (post filtro RC o condensatore di feedback) per ridurre la larghezza di banda dell'amplificatore prima della frequenza di commutazione per sopprimere gli artefatti. Un'elevata frequenza di commutazione semplifica i requisiti del filtro per una larghezza di banda ampia, utile e priva di artefatti.

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