Zéró drift erősítők: Most könnyen használható nagy pontosságú áramkörökben

A nulla sodródású erősítő, ahogy a neve is sugallja, olyan erősítő, amelynek eltolt feszültség-eltolódása nagyon közel van a nullához. Automatikus nulla vagy aprítási technológiát, vagy mindkettő kombinációját használja, hogy folyamatosan önkorrigálja az egyenáramú hibákat az idő és a hőmérséklet függvényében. Ez lehetővé teszi, hogy az erősítő mikrovolt szintű eltolásokat és rendkívül alacsony eltolódásokat érjen el. Ezért egyedülállóan alkalmas erős erősítésű és pontosságú jelfeldolgozó áramkörökben való használatra. Például egy érzékelő (például hőmérséklet-, nyomás- vagy terhelésmérő -érzékelő) általában alacsony szintű kimeneti feszültséget állít elő, és ezért erősítőre van szüksége ahhoz, hogy további hibák nélkül erősítse a kimenetet. A nulla sodródású erősítők, amelyeket ultralow eltolt feszültségre és sodródásra, nagy közös módú elutasításra, nagy tápellátási elutasításra és csökkentett 1/f zajra terveztek, ideális választás a magas szintű felbontás eléréséhez egy igényes rendszeralkalmazásban, mint pl. érzékelő, hosszú termékéletciklus mellett. A nulla drift erősítő alapvető felépítése Az 1. ábra egy alapvető erősítő erősítő kapcsolási rajzát mutatja egység erősítés konfigurációban. Az egyenáramú erősítési útvonal egy bemeneti aprító kapcsolóhálózatból (CHOPIN), egy első transzkonduktancia -erősítőből (Gm1), egy kimeneti szaggató kapcsolóhálózatból (CHOPOUT), egy második transzkonduktív erősítőből (Gm2) és frekvenciakompenzációs kondenzátorokból (C1 és C2) áll. A CHOP -ot és a CHOP -t egy óra generátor vezérli, és a nem kívánt erősítő egyenáramú eltolt feszültségét (VOS) korrigálja. A 2. ábra a hozzá tartozó időzítési diagramot és a várható kimeneti feszültséget (VOUT) mutatja. Ha a CHOP órajel magas (A fázis), a Gm1 erősítő differenciális bemenete és kimenete inverzió nélkül csatlakozik a jelúthoz. Ez pozitív kimeneti feszültséget (VOUT) eredményez a VOS jelenléte miatt. Ha a CHOP órajele magas (B fázis), a Gm1 bemenete és kimenete inverz módon csatlakozik a jelúthoz, ami negatív kimeneti feszültséget eredményez a VOS miatt. A Gm1 pozitív és negatív kimeneti feszültsége ± VOS kimeneti feszültséget eredményez. Ez az aprítási koncepció az időtartományban hasonló a frekvenciatartomány modulációjához. Más szavakkal, a Gm1 eltolási feszültségét a CHOPOUT felfelé modulálja az aprítási frekvenciára. Másrészt a bemeneti jelet kétszer feldarabolja a CHOPIN és a CHOPOUT. Ez egyenértékű azzal, hogy a bemeneti jelet fel-, majd lefelé modulálják az eredeti frekvenciára. Így a bemeneti jel inverzió nélkül jut a kimenetre. A Gm1 pozitív és negatív kimeneti feszültsége (± VOS) feszültség hullámzásként jelenik meg a VOUT -nál (2. ábra). Ezenkívül a CHOP és CHOP órák a kapcsolókhoz tartozó parazita kapacitásokon keresztül kapcsolódnak a differenciál bemeneti csapokhoz. Amikor az órák állapotát megváltoztatják, töltéseket fecskendeznek a differenciál bemeneti csapokba. Ezeket a töltőinjekciókat kimeneti feszültséghibákká alakítják át a véges bemeneti forrás impedanciáin keresztül. A hibák nagysága és alakja a bemeneti forrás impedanciáinak mennyiségétől és illeszkedésétől, valamint a differenciális bemeneti csapok töltésbefecskendezésétől függ. Ezek a kimeneti hullámzások és zavarok kapcsolási melléktermékeket vezetnek be, amelyek a vágási frekvencián és annak többszörös egész frekvenciáin a zajspektrum növekedéseként jelennek meg. Ezenkívül a kapcsolási műveletek nagysága és frekvenciája minden nulla sodródású erősítőnél és egységenként eltérő. Ebben a cikkben a vágási és kapcsolási frekvencia kifejezést felcserélhetően használjuk. Ábra 1. Aprító építészet. Ábra 2. Aprítási időzítési diagram. Műtermékek kapcsolása az adatlapon látható Hagyományosan a nulla sodródású erősítők meglehetősen nagy szélessávú zajjal és alacsony kapcsolási frekvenciával rendelkeznek, néhány kilohertztől néhány tíz kilohertzig. Ez korlátozza használatukat egyenáramú és 100 Hz alatti alkalmazásokra, így a kapcsolási frekvencia kívül esik az érdeklődő jel sávszélességén. Azokban az alkalmazásokban, amelyek nagy sávszélességet igényelnek és nagy pontosságot igényelnek, fontos, hogy nagyobb kapcsolási frekvenciájú nulla sodródású erősítőt használjunk. Valójában a kapcsolási frekvenciát néha úgy tekintik, mint a nulla sodródású erősítők érdeme. A fejlett tervezési architektúrával az újabb zéró sodródású erősítőket úgy tervezték, hogy kisebb kapcsolási melléktermékekkel rendelkezzenek sokkal magasabb frekvenciákon. Például az ADA4.8-4522, a nagyfeszültségű, kettős, nulla sodródású erősítő, amellett, hogy az eltolt feszültséget 2 MHz-en csökkenti, szabadalmaztatott ofszet- és hullámosságkorrekciós hurok áramkörét használja a kapcsolási műtermékek minimalizálása érdekében. A korrekciós hurok 800 kHz -en működik, és az offset feszültség ± VOS nullázására szolgál (a 2. ábrán látható módon). A ± VOS csökkentése az eredeti érték 1% -ára 40 dB javulást biztosít a kapcsolási műtermékben. Ez csökkenti a rendszer tervezőjének erőfeszítéseit a célzott rendszerszintű pontosság elérése érdekében. A kapcsolótermék észlelésének legegyszerűbb módja az erősítő feszültség zajsűrűség spektrumának megfigyelése. A 3. ábra az ADA4522-2 bemeneti feszültségzaj sűrűség grafikonját mutatja. Vegye figyelembe, hogy a B csatorna 800 kHz -es kapcsolási frekvenciáján növekszik a zajspektrum. Ez a zajspektrum -növekedés, amint azt a cikk korábbi részében leírtuk, a töltésbefecskendezés eltérésének mellékterméke. Mivel az eltérés rész-rész és csatorna-csatorna függő, a zajcsúcsok nagysága eltérő, és nem minden egység mutatja a zajcsúcsot. Például, ugyanazon egység A csatornája nem mutat zajcsökkenést a 800 kHz -es kapcsolási frekvencián. A kapcsolási frekvenciák 10–20% -kal is eltérhetnek egységenként a chipen lévő óra oszcillátor frekvenciaváltozása miatt. Ábra 3. ADA4522-2 feszültség zajsűrűsége. Zaj-összehasonlítás a különböző nulla-drift erősítők között. A 4. ábra három bemeneti feszültségzaj-sűrűséget mutat be három különböző élvonalbeli nagyfeszültségű zéró-sodródás-erősítő között. Megjegyezzük, hogy mind a három tesztelt nulla sodródású erősítő valamilyen kapcsolási mellékterméket mutat. A kapcsolási műtermékek némelyike ​​többszörös egész frekvenciáján is megismétlődik. Ezek a kapcsolási melléktermékek jelentősek lehetnek, és hibákat okozhatnak az áramkör kialakításában. Ezért fontos megérteni az áramkörre gyakorolt ​​hatásukat, és megtalálni a hatás mérséklésének módjait. Ha az erősítő zárt hurkú frekvenciája magasabb, mint a kapcsolási frekvencia, akkor ez a zajspektrum-növekedés a teljes sávszélességben integrálódik, és tükröződik a kimeneten. Nem csak ezt a bemeneti feszültségzajt erősíti fel az erősítő zajnövekedése. Tegyük fel például, hogy az erősítő 100 erősítésben van konfigurálva, az effektív kimeneti feszültség zajsűrűsége szintén 100 -szorosára nő. Ábra 4. A különböző nulla-sodródású erősítők feszültségi zajsűrűsége. Ábra 5. Beépített kimeneti feszültség zaj. Az erősítő kimenetébe integrált teljes effektív zaj az erősítő sávszélességétől függ. A kimeneti feszültségzaj a rendelkezésre álló sávszélességgel gördül le; ezért minél nagyobb az erősítés vagy nagyobb a sávszélesség, annál nagyobb a kimeneti erősítő zajának amplitúdója. Az 5. ábra az integrált kimeneti feszültségzaj grafikonját mutatja. frekvenciát. Ez egy hasznos grafikon a teljes integrált zaj megértéséhez a frekvencia tekintetében. Például, ha az erősítő sávszélességét szűréssel 100 kHz -re korlátozzák, akkor az erősítő feszültségzajából eredő teljes kimeneti zaj leolvasható a grafikonról, és a következő lesz: 1. táblázat. Kimeneti integrált zajerősítő Kimeneti zaj (µV rms) Csúcs-csúcs kimeneti zaj (µV pp) ADA4522-2 1.91 12.61 A erősítő 3.33 21.98 B erősítő 6.40 42.24 Egy közös szorzó (ún. Gerjesztési tényező) használata az effektív feszültség csúcsra alakításához a csúcs feszültségig, a csúcs-csúcs zaj becslést az 1. táblázat harmadik oszlopa mutatja. 5 V-os rendszerben az ADA4522-2 18.6 bit csúcs-csúcs felbontást biztosít, míg a B erősítő 16.8 bit csúcs-csúcs felbontást biztosít. Az alacsonyabb integrált kimeneti zaj mindig kívánatos, mivel növeli a jel-zaj arányt, és nagyobb felbontást tesz lehetővé az egész rendszer számára. Egy másik érdekes dolog az 5. ábrával kapcsolatban, hogy az integrált zaj fokozódó funkcióval növekszik a zajcsúcs frekvenciákon. A zajcsúcsok (megnövelt zajenergiával), bár keskenyek, de jelentősen növelik a teljes kimeneti integrált zajt. Műtermékek kapcsolása az időtartományban Gyakran előfordul, hogy a kapcsolási melléktermékek jól láthatók a frekvenciatartomány feszültségzaj -sűrűség -spektrumában. A kapcsolótermék időalapú viselkedésének megértéséhez konfigurálhatja az erősítőt puffer konfigurációban, a nem invertáló tüskével földelve, és oszcilloszkóppal közvetlenül felügyelheti a kimenetet. A 6. ábra két nulla sodródású erősítő tipikus kimenetét mutatja. Ne feledje, hogy az A erősítő különböző amplitúdójú kimeneti feszültségcsúcsokat mutat. A tüskék 0.66 µs -onként ismétlődnek. Ez megegyezik a 1.51. ábra 4 MHz -en látható zajcsúcsaival. Másrészről az ADA4522-2 nem mutat kapcsolási műveleteket az időtartományban (kék grafikon). Más szóval, a létező zajcsúcsok a mérőrendszer zajszintje alatt vannak, és nem észlelhetők. Ez lehetővé teszi a tervezők számára, hogy az ADA4522-2-t olyan alkalmazásokban használják, mint az ADC vezetése, és biztosak legyenek abban, hogy a zajcsúcsok nem jelentenek problémát. Ábra 6. Kimeneti feszültség zaj az időtartományban. Szűrők a kapcsolási műtermék enyhítésére 7. ábra. Zero-drift erősítő szűrővel. Ábra 8. Unity-gain zéró sodródású erősítő feszültség zajsűrűsége utólagos szűrővel. A kapcsolási műtermékek hatásának csökkentése érdekében néhány módszer megvalósítható. Ezek a módszerek végső soron az erősítő sávszélességének olyan korlátozásához vezetnek, amely kisebb, mint a kapcsolási frekvencia. A szűrő használata hatékony módszer a zajcsökkentés elnyomására. A legegyszerűbb megoldás egy ellenállás-kondenzátor hálózat elhelyezése az erősítő kimenetén, hogy aluláteresztő szűrőt hozzon létre (7A. Ábra). A 8. ábra egy nulla sodródású erősítő feszültségzaj-sűrűségét mutatja egy-két évtizeddel a kapcsolási frekvencia alatt tervezett utószűrővel. A 800 kHz -es zajcsökkenés 36 nV/√Hz -ről (utószűrő nélkül) 4.1 nV/√Hz -re (utószűrő 80 kHz -en) csökken, ami az erősítő alacsony frekvenciájú szélessávú zajszintje alatt van. A két évtizeddel a kapcsolási frekvencia alatt elhelyezett utószűrővel (utószűrő 8 kHz-en) a zajcsúcs már nem látható, és az ADA4522-2 úgy néz ki, mint bármely más hagyományos erősítő. Előfordulhat, hogy egyes alkalmazások nem tolerálják, hogy RC hálózat legyen az erősítő kimenetén. Az erősítő kimeneti árama, amely áthalad a szűrőellenálláson, feszültségeltolást hoz létre, amely kimeneti hibát okoz. Ebben az esetben választható a zajcsúcsok szűrése úgy, hogy egy visszacsatolási kondenzátort helyeznek a visszacsatolási hurokra (7. ábra (b) ábra). A 9. ábra a 10 -es erősítésben konfigurált erősítő kimeneti feszültség zajsűrűségét mutatja szűrés nélkül vs. utószűrőt vagy visszacsatoló szűrőt helyeznek el egy évtizeddel a kapcsolási frekvencia alatt. Az utólagos szűrő konfigurációja hatékonyabb aluláteresztő szűrőként, mint a visszacsatoló kondenzátor. Ábra 9. A kapcsolási műtermékek szűrőkkel csökkennek. A Zero-Drift erősítők használata nagy erősítésű konfigurációban segít Sok tervező nulla drift erősítőt használt, de nem észlelt semmilyen kapcsolási mellékterméket a rendszerében. Ennek egyik oka az erősítő konfigurációja lehet. A nulla sodródású erősítők alacsony sodródással és eltolással rendelkeznek, és leggyakrabban alacsony szintű amplitúdójú érzékelő jelének jelzésére használják nagy erősítésű konfigurációban, például 100-1000 erősítésben. Az erősítő nagy erősítésű konfigurációban történő használata ugyanolyan hatással jár, mint az aluláteresztő szűrő elhelyezése az erősítőn. A nyereség növekedésével a sávszélesség csökken. A 10. ábra szemlélteti, hogyan csökkenti a nagy erősítésű konfiguráció a kapcsolási hatást. 100-as zárt hurkú erősítés esetén a kapcsolási műtermék alig látható a zajterületeken. Ábra 10. Az erősítő sávszélességének csökkentése erősítéssel. Az ADA4522-2 előnyei, mint a Zero-Drift Amplifier Analog Devices legújabb, nulla sodródású műveleti erősítője, az ADA4522-2, szabadalmaztatott és innovatív áramkör-topológiát alkalmaz a magas kapcsolási frekvencia elérése és a kapcsolási melléktermékek minimalizálása érdekében. elődök. Az egység-erősítés sávszélességgel 3 MHz-en és a kapcsolási frekvenciával 800 kHz-en és 4.8 MHz-en a 40 erősítési konfiguráció elegendő a kapcsolási műtermékek szűréséhez, és nincs szükség külső aluláteresztő szűrésre. Az alacsony eltolású feszültségeltolódás legfeljebb 22 nV/° C, az alacsony zajszint 5.8 nV/√Hz (100 konfiguráció erősítése), az alacsony bemeneti torzítóáram legfeljebb 150 pA, a magas közös módú elutasítás és a tápegység elutasítása ideális választás olyan precíziós alkalmazásokhoz, mint a mérleg, az áramérzékelés, a hőmérséklet-érzékelő elülső részei, a terhelésmérő és a hídátalakítók, és még sok más, sodródás szempontjából kritikus alkalmazás. Következtetések A Zero-drift erősítők nagyon alacsony eltolási feszültséggel és sodródással rendelkeznek, és ideális választás olyan alkalmazásokhoz, ahol az alacsony szintű jelek pontos erősítését igénylik. Íme néhány betekintés az egyik használatakor. Minden nulla sodródású erősítő valamilyen kapcsolási mellékterméket mutat, és ez leggyakrabban a feszültség zajsűrűség-diagramjain észlelhető. A kapcsolási tárgy nagysága egységről egységre eltérő. A kapcsolási frekvencia egységenként akár 20%-kal is eltérhet. Váltó műtermékek észlelhetők a frekvenciában és az időtartományban. Az alkalmazástól függően hibákat okozhatnak. A nulla sodródású erősítőket gyakran használják nagy erősítésű konfigurációban, ahol a sávszélesség csökken, és így sokszor a kapcsolási melléktermékek nem jelentenek problémát. Fontos, hogy csökkentse a kapcsolási melléktermékeket, hogy csökkentse a kimeneti hiba mennyiségét. Alkalmazzon aluláteresztő szűrőt (RC utószűrőt vagy visszacsatoló kondenzátort) az erősítő sávszélességének lekapcsolásához a kapcsolási frekvencia előtt, hogy elnyomja a műtermékeket. A magas kapcsolási frekvencia egyszerűsíti a szűrőigényt a széles, hasznos és műtermék-mentes sávszélességhez.

Hagyjon üzenetet 

Üzenetlista