Jak dosáhnout přesnosti stejnosměrných signálů a široké šířky pásma pomocí zesilovačů s nulovým driftem

Existuje mnoho reálných signálů senzorů, zejména těch, které se týkají přírodních jevů, které vykazují pouze velmi pomalé a nepatrné změny v závislosti na čase. Přesto jsou to právě tyto jemné změny, které jsou důležité pro proniknutí do situace a její pochopení. Mezi mnoha příklady patří tenzometry, které monitorují pohyb mostu nebo konstrukce, podvodní převodníky pro aktuální průtok a jevy související s teplotou, akcelerometry snímající pohyb související se zemětřesením a posuny litosférických desek, výstupy z různých optických senzorů a téměř všechny biopotenciální signály.

Efektivní a přesné zachycení velmi nízkoúrovňových signálů bylo náročné vždy. Tyto signály snadno ruší šum, takže k dosažení požadované amplitudy a udržení odstupu signálu od šumu („signal-to-noise ratio“, SNR) je rozhodující jejich zesílení. Nízká frekvence těchto signálů, často v jednotkách nebo desítkách hertzů a hovorově a všeobecně označovaných jako „stejnosměrné signály“, náročnost zvyšuje.

Výkon signálového řetězce sníží jakýkoli počáteční stejnosměrný posun v parametrech zesilovače, jako je klidový proud nebo offsetové napětí a inherentní šum 1/f (růžový) stejně jako následné nevyhnutelné posuny výkonu v důsledku teplotou indukovaného driftu, kolísání napájecího rozvodu nebo stárnutí součástek.

Tradičně to, co je označováno jako zesilovače s „nulovým driftem“, bylo možné pouze pro aplikace s nižší šířkou pásma, protože techniky dynamické redukce chyb produkují při vyšších frekvencích nadměrné artefakty. To je však velmi omezující, protože tyto signály podobné stejnosměrným signálům mohou mít náhlé záblesky důležité vyšší frekvence, aktivity větší šířky pásma, jako když se konstrukce náhle zlomí nebo dojde k zemětřesení.

Z tohoto důvodu je velmi žádoucí front-endový zesilovač, který se vyznačuje velmi nízkým driftem pro signály podobné stejnosměrným signálům a má dobrý výkon při vyšších frekvencích. Vylepšení v topologii a návrhu naštěstí umožnily vývoj integrovaných obvodů zesilovačů s nulovým driftem pro provoz od stejnosměrných k vyšším frekvencím, které offset, drift parametrů a šum 1/f v podstatě eliminují.

K ilustrování specifik zesilovačů s nulovým driftem, jejich parametrů a problémů jsou v tomto článku využity součástky od společnosti Analog Devices (ADI). Článek se poté zabývá tím, jak jsou realizovány funkce zesilovače s nulovým driftem, a také technikami pro zlepšení výkonu zesilovače a souvisejícího signálového řetězce.

Řešení nenulového driftu

Drift je posun v základním výkonu a je primárně, ale nikoli pouze, způsoben různými tepelnými efekty v senzoru a také v analogových front-endových obvodech („analog front-end“, AFE). Tradičním řešením pro dosažení téměř nulového driftu je použití zesilovače stabilizovaného přerušovačem („chopperem“), který moduluje nízkofrekvenční signál (často nazývaný stejnosměrný signál) na vyšší frekvenci, která se snadněji řídí a filtruje. Následná demodulace výstupního stupně zesilovačem obnovuje původní signál, ale v zesílené podobě. Tato technika funguje již mnoho let a úspěšně se používá.

Upozorňujeme, že „stejnosměrný signál“ je poněkud nesprávné pojmenování a „téměř stejnosměrný“ by bylo přesnější. Pokud by byl signál skutečně stejnosměrný a měl tedy konstantní hodnotu, neměl by žádné informace nesoucí změny, přitom zajímavé jsou právě pomalé změny. Přesto je termín „stejnosměrný signál“ běžnou terminologií.

Alternativou ke stabilizaci založené na přerušovači („chopperu“) je přístup „automatického nulování“. Tato technika používá k dosažení podobných výsledků dynamickou korekci, ale s poněkud odlišným souborem kompromisů výkonu. Operační zesilovače s nulovým driftem mohou k odstranění nežádoucích zdrojů nízkofrekvenčních chyb využívat přerušování („chopping“), automatické nulování nebo kombinaci obou technik. Opět je zde menší problém s terminologií: Termín „nulový drift“ je mírně zavádějící – ačkoli tyto zesilovače mají extrémně nízký drift velmi blízký nule, nejsou dokonalé, i když jsou působivě blízko. Každá technika má své výhody a nevýhody a používá se v různých aplikacích:

• Přerušování využívá modulaci a demodulaci signálu a má nižší šum v základním pásmu, ale také vytváří šumové artefakty na přerušovací frekvenci a jejích harmonických.
• Alternativou je automatické nulování, které využívá obvod vzorkování a udržování a je vhodné pro aplikace v širším pásmu. Má však větší napěťový šum v pásmu kvůli zpětnému překlopení („foldback“) šumu do části spektra v základním pásmu.
• Pokročilé integrované obvody zesilovače s nulovým driftem obě techniky kombinují a nabízejí to nejlepší z obou možností. Řídí spektrální hustotu šumu („noise spectral density“, NSD), aby nabídly nižší šum v základním pásmu a zároveň minimalizovaly vysokofrekvenční chyby, jako je zvlnění, poruchy a intermodulační zkreslení („intermodulation distortion“, IMD) (obrázek 1).

Obrázek 1: Jednotlivé typy analogového zesilovače mají jedinečnou typickou spektrální hustotu šumu (NSD). Zesilovač s nulovým driftem akceptuje výkon NSD přístupů automatického nulování a stabilizace přerušovačem („chopperem“), aby poskytl přijatelnější scénář. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Začněte s přerušováním

Zesilovač stabilizovaný přerušovačem („chopperem“) (nazývaný také zesilovač typu chopping, nebo jednoduše „chopper“) používá přerušovací obvod k usekání (přerušení, „chop“) vstupního signálu tak, aby mohl být zpracován, jako by to byl modulovaný střídavý signál. Zesilovač poté demoduluje signál zpět na stejnosměrný signál na výstupu, aby extrahoval původní signál.

Tímto způsobem lze zesílit extrémně malé stejnosměrné signály, zatímco účinky nežádoucích driftů se výrazně minimalizují na téměř nulu. Přerušovací modulace odděluje offset a nízkofrekvenční šum od obsahu signálu díky modulaci chyb na vyšší frekvence, kde je lze mnohem snadněji minimalizovat nebo odstranit filtrováním.

Podrobnosti operace přerušování lze snadno pochopit v časové oblasti (obrázek 2). Vstupní signál (a) je modulován přerušovacím signálem (b) do čtvercové vlny. Tento signál je demodulován (c) na výstupu (d) zpět na stejnosměrný. Inherentní nízkofrekvenční chyby (červená vlnová křivka) v zesilovači jsou (c) modulovány na výstupu na čtvercovou vlnu, která je pak (d) filtrována dolní propustí („low-pass filter“, LPF).

Obrázek 2: Vlnové křivky časové oblasti vstupního signálu V_IN (modrá) a chyb (červená) na (a) vstupu, (b) V1, (c) V2 a (d) V_OUT pro základní techniku přerušování. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Poučná je také analýza frekvenční oblasti (obrázek 3). Vstupní signál (a) je modulován na přerušovací frekvenci (b), zpracováván stupněm zisku na f_CHOP, demodulován na výstupu zpět na stejnosměrný signál (c) a nakonec prochází LPF (d). Offset a zdroje šumu (červený signál) zesilovače jsou zpracovávány stejnosměrně přes stupeň zisku, modulovány na f_CHOP výstupními přerušovacími spínači (c) a nakonec jsou filtrovány pomocí LPF (d). Vzhledem k tomu, že se používá modulace čtvercových vln, dochází k modulaci kolem lichých násobků modulační frekvence.

Obrázek 3: Spektrum ve frekvenční oblasti signálu (modrá) a chyb (červená) na (a) vstupu, (b) V1, (c) V2 a (d) V_OUT je také důležitou perspektivou. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Samozřejmě není žádný návrh dokonalý. Údaje v časové i frekvenční oblasti ukazují, že bude existovat určitá zbytková chyba kvůli modulovanému šumu a offsetu, protože LPF není dokonalá „betonová zeď“.

Pokročte k automatickému nulování

Automatické nulování je technika dynamické korekce, která funguje vzorkováním a odečítáním zdrojů nízkofrekvenčních chyb v zesilovači. Základní automaticky nulovaný zesilovač se skládá ze zesilovače s nevyhnutelným offsetem a šumem, přepínačů pro rekonfiguraci vstupu a výstupu a automaticky nulovaného vzorkovacího kondenzátoru (obrázek 4).

Obrázek 4: Základní konfigurace automaticky nulovaného zesilovače ukazuje přepínače používané k překonfigurování cesty signálu, a tak zachycení inherentních chyb zesilovače na kondenzátoru. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Během fáze automatického nulování ϕ₁ je vstup obvodu zkratován na souhlasné napětí a automaticky nulovaný kondenzátor vzorkuje vstupní offsetové napětí a šum. Je důležité si uvědomit, že zesilovač není během této fáze „k dispozici“ pro zesílení signálu, protože je zaneprázdněn jinou úlohou. K tomu, aby tedy automaticky nulovaný zesilovač fungoval kontinuálně, musí být dva identické kanály prokládány v takzvaném „ping-pongovém“ automatickém nulování.

Během fáze zesílení ϕ₂ se vstup připojí zpět k cestě signálu a zesilovač je opět k dispozici pro zesílení signálu. Nízkofrekvenční šum, offset a drift se automatickým nulováním eliminují. Zbývající chyba je rozdíl mezi aktuální hodnotou a předchozím vzorkem chyb.

Vzhledem k tomu, že zdroje nízkofrekvenčních chyb se od ϕ₁ do ϕ₂ příliš nemění, funguje toto odečítání dobře. Vysokofrekvenční šum je však aliasován dolů do základního pásma a má za následek zvýšenou hladinu bílého šumu (obrázek 5).

Obrázek 5: Spektrální výkonová hustota šumu je utvářena akcemi přerušování a automatického nulování, jak je vidět (zleva doprava) před automatickým nulováním, po automatickém nulování, po přerušení a po přerušení a automatickém nulování. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Výkon pokročilých automaticky nulovaných zesilovačů integrovaných obvodů je působivý. Obvykle jsou v kritických specifikacích offsetu, driftu a šumu dokonce o jeden až dva řády lepší než „velmi dobrý“ precizní operační zesilovač. Takže i když jejich čísla zjevně nejsou nulová, jsou nule velmi blízko.

Například model ADA4528 je jednokanálový zesilovač s nulovým driftem lišta na lištu („rail-to-rail“, RTR), který se vyznačuje maximálním offsetovým napětím 2,5 μV, maximálním offsetovým driftem napětí pouhých 0,015 μV/°C a hustotou napěťového šumu 5,6 nV)/√Hz (při f = 1 kHz, zisku +100) a 97 nV_peak-peak (pro f = 0,1 Hz až 10 Hz, zisk +100). Model ADA4522 je další jednokanálový zesilovač RTR s nulovým driftem. Nabízí maximální offsetové napětí 5 μV, maximální drift offsetového napětí 22 nV/°C, hustotu napěťového šumu 5,8 nV/√Hz (typicky) a 117 nV_peak-peak od 0,1 Hz do 10 Hz (typicky) spolu se vstupním klidovým proudem 50 pA (typicky).

„Dokonalost“ mohou pokazit artefakty

Ačkoli přerušení funguje dobře k odstranění nežádoucího offsetu, driftu a šumu 1/f, přirozeně produkuje nežádoucí artefakty AC, jako je zvlnění a poruchy výstupu. Díky pečlivému zkoumání základní příčiny jednotlivých artefaktů, následovanému použitím pokročilých nebo sofistikovaných topologií a procesních přístupů, však produkty s nulovým driftem od společnosti Analog Devices velikost těchto artefaktů značně zmenšily a umístily je do vyšších frekvencí, kde je lze na úrovni systému snadněji odfiltrovat. Mezi tyto artefakty patří:

Zvlnění: Základní důsledek techniky přerušovací modulace, která přesouvá tyto nízkofrekvenční chyby na liché harmonické frekvence přerušení. Ke snížení účinků zvlnění používají konstruktéři zesilovačů mnoho metod, včetně:

• Oříznutí produkčního offsetu: Nominální offset lze výrazně snížit provedením jednorázového počátečního oříznutí, ale drift ofsetu a šum 1/f zůstanou.
• Kombinace přerušení a automatického nulování: Zesilovač se nejprve automaticky vynuluje, poté se přeruší, aby se zvýšila modulace zvýšené spektrální hustoty šumu („noise spectral density“, NSD) na vyšší frekvenci (jak je vidět na předchozím obrázku, který ukázal výsledné spektrum šumu po přerušení a automatickém nulování).
• Autokorekční zpětná vazba („autocorrection feedback“, ACFB): Lokální zpětnovazební smyčku lze použít ke snímání modulovaného zvlnění na výstupu a vynulování nízkofrekvenčních chyb u jejich zdroje.

Poruchy: Přechodné špičky, které jsou způsobeny nesouladem injekce náboje z přerušovacích spínačů. Velikost těchto poruch závisí na mnoha faktorech, včetně impedance zdroje a velikosti nesouladu náboje.

Poruchové špičky způsobují nejen artefakty na sudých harmonických frekvence přerušení, ale také vytvářejí zbytkový DC offset úměrný přerušovací frekvenci. Obrázek 6 (vlevo) ilustruje, jak tyto špičky vypadají uvnitř přerušovacích spínačů na V1 a za výstupními přerušovacími spínači na V2. Další artefakty poruch při sudých harmonických přerušovací frekvence jsou způsobeny omezenou šířkou pásma zesilovače (obrázek 6 vpravo).

Obrázek 6: Poruchové napětí (vlevo) z injekce náboje na V1 (uvnitř přerušovacích spínačů) a V2 (vně přerušovacích spínačů), poruchy (vpravo) způsobené omezenou šířkou pásma zesilovače na V1 a na V2. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Ke snížení dopadu poruch v zesilovačích s nulovým driftem vymysleli a implementovali konstruktéři zesilovačů, stejně jako u zvlnění, jemné, ale účinné techniky.

• Oříznutí injekce náboje: Do vstupů přerušovaného zesilovače lze injektovat oříznutelný náboj, který kompenzuje nesoulad náboje, což snižuje množství vstupního proudu na vstupech operačního zesilovače.
• Vícekanálové přerušování: Toto nejen snižuje magnitudu poruchy, ale přesunuje ji také na vyšší frekvenci, což usnadňuje filtrování. Tato technika má za následek častější poruchy, ale s menšími magnitudami než pouhé přerušování při vyšší frekvenci.

Jasná ukázka vícekanálového přerušování je vidět na srovnání mezi typickým zesilovačem s nulovým driftem (A) a zesilovačem ADA4522, který tuto techniku používá k výraznému snížení dopadu poruch (obrázek 7).

Obrázek 7: Vzhledem k menším šumovým poruchám, které jsou výsledkem modifikované techniky přerušování, snižuje zesilovač ADA4522 napěťové špičky až na úroveň šumu. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Od samotného zesilovače až po výkon systému

Efektivní aplikace širokopásmových zesilovačů s nulovým driftem vyžaduje pečlivé zvážení problémů na úrovni systému i zesilovače. Je kriticky důležité porozumět tomu, kde ve frekvenčním spektru jsou zbývající frekvenční artefakty a jaký je jejich dopad.

Přerušovací frekvence je obvykle, ale ne vždy, uvedena v katalogovém listu. Lze ji určit také prozkoumáním grafu spektra šumu. Například v katalogovém listu zesilovače ADA4528 je výslovně uvedena přerušovací frekvence 200 kHz. Lze to vidět také na grafu hustoty šumu (obrázek 8).

Obrázek 8: Specifikace přerušovací frekvence 200 kHz uvedená v katalogovém listu zesilovače ADA4528 se opakuje v grafu hustoty šumu pro zařízení. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

V katalogovém listu zesilovače ADA4522 je uvedeno, že přerušovací frekvence je 4,8 MHz se smyčkou korekce offsetu a zvlnění fungující při 800 kHz. Tyto špičky šumu jsou uvedeny v grafu hustoty šumu na obrázku 9. Při 6 MHz dochází také k nárůstu šumu kvůli snížené fázové bezpečnosti smyčky, když je v jednotkovém zisku, ale to není u zesilovačů s nulovým driftem ojedinělé.

Obrázek 9: Graf hustoty šumu zesilovače ADA4522 odhaluje nejen přerušovací frekvenci, ale také další špičky šumu způsobené různými zdroji. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Konstruktéři by měli mít na paměti, že frekvence uvedená v katalogovém listu je typické číslo a může se díl od dílu lišit. Proto by návrh systému, který vyžaduje dva přerušované zesilovače pro více kanálů kondicionování signálu, měl zahrnovat duální zesilovač. Je to proto, že dva jednotlivé zesilovače mohou mít mírně odlišné přerušovací frekvence, které zase mohou interagovat a způsobit další IMD.

Další podmínky návrhu na úrovni systému zahrnují:

• Odpovídající impedance vstupního zdroje: Poruchy přechodových proudů interagují s impedancí vstupního zdroje a způsobují chyby diferenciálního napětí, což může mít při násobcích přerušovací frekvence za následek další artefakty. K minimalizaci tohoto potenciálního zdroje chyb by měl být každý vstup přerušovaného zesilovače navržen tak, aby měl stejnou impedanci.
• IMD a artefakty aliasingu: Vstupní signál přerušovacího zesilovače se může mísit s přerušovací frekvencí f_CHOP, vytvořit IMD na jejich součtových a rozdílových součinech a jejich harmonických: f_IN ± f_CHOP, f_IN ± 2f_CHOP, 2f_IN ± f_CHOP a tak dále. Tyto produkty IMD se mohou objevit v zájmovém pásmu, zejména když se f_IN blíží přerušovací frekvenci. Výběr zesilovače s nulovým driftem s přerušovací frekvencí, která je mnohem větší než šířka pásma vstupního signálu, však tento problém značně minimalizuje tím, že zajistí, že pravděpodobné „interference“ při frekvencích blízkých f_CHOP jsou před tímto stupněm zesilovače filtrovány.

Při vzorkování výstupu zesilovače pomocí analogově-digitálního převodníku („analog-to-digital converter“, ADC) lze aliasovat také artefakty přerušování. Specifika těchto produktů IMD závisí na velikosti poruchy a zvlnění a mohou se díl od dílu lišit, takže je často nutné před ADC zařadit antialiasingové filtry, aby se toto IMD snížilo.

Není překvapením, že filtrování je k realizaci plného potenciálu zesilovačů s nulovým driftem rozhodující, protože je to nejúčinnější způsob, jak se s těmito vysokofrekvenčními artefakty na systémové úrovni vypořádat. Dolní propust mezi zesilovačem s nulovým driftem a ADC snižuje artefakty přerušování a zabraňuje aliasingu.

Zesilovače s nulovým driftem s vyššími přerušovacími frekvencemi snižují požadavky na dolní propust a umožňují větší šířku pásma signálu. Nicméně v závislosti na tom, kolik potlačení mimo pásmo potřebuje systém a signálový řetězec, může být vyžadován spíše aktivní filtr vyššího řádu než jednoduchý filtr.

Společnost ADI má k urychlení a zjednodušení návrhu filtrů různé zdroje, včetně výukového videa o více zpětnovazebních filtrech (MT-220) a online nástroj pro návrh filtrů Wizard. Požadovaný filtr pomůže vytvořit znalost frekvencí, na kterých se tyto artefakty přerušení vyskytují (obrázek 10).

Obrázek 10: V tabulce jsou pro zesilovače s nulovým driftem shrnuty typy šumu a jejich spektrální umístění. Tabulka je užitečným vodítkem pro posouzení, jaký druh filtrování je potřeba a kde. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Získání toho posledního kousku výkonu

Jedním z problémů, se kterými se konstruktéři při používání špičkových komponent ve spojení s pečlivým návrhem systému setkávají, je skutečnost, že zdroje zbytkových chyb se nyní stávají významnými. Zdroje chyb, které byly dříve irelevantní nebo neviditelné, jsou nyní limitujícími faktory pro dosažení špičkového výkonu (je to analogické tomu, když řeka za sucha vyschne a poprvé se objeví nové prvky koryta). Jinými slovy – když se zdroje chyb prvního a druhého řádu minimalizují nebo eliminují, stávají se problémem zdroje chyb třetího řádu.

Například u zesilovačů s nulovým driftem a jejich analogových kanálů signálu je jedním potenciálním zdrojem chyby offsetu Seebeckovo napětí na obvodové desce. Toto napětí se vyskytuje na spoji dvou různých kovů a je funkcí teploty spoje. Nejběžnějšími kovovými spoji na obvodové desce je spoj pájky k desce a vodič pájky a součástky.

Vezměme v úvahu příčný řez součástkou pro povrchovou montáž připájenou k desce s plošnými spoji („printed circuit“, PC) (obrázek 11). Změna teploty na desce, jako například TA1 odlišná od TA2, způsobuje nesoulad v Seebeckových napětích na pájených spojích, což má za následek chyby tepelného napětí, které zhoršují výkon ultranízkého offsetového napětí zesilovačů s nulovým driftem.

Obrázek 11: Vzhledem k tomu, že pokročilé zesilovače s nulovým driftem výrazně snižují své chyby, stávají se problémem méně viditelné zdroje, jako jsou zdroje způsobené teplotními gradienty a Seebeckovým napětím, a je třeba je řešit. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

K minimalizaci těchto termočlánkových efektů by měly být rezistory orientovány tak, aby různé zdroje tepla ohřívaly oba konce rovnoměrně. Kde je to možné, musí cesty vstupního signálu obsahovat odpovídající počty a typy součástek, aby odpovídaly počtu a typu termočlánkových přechodů. K přizpůsobení zdroje termoelektrické chyby (se skutečnými rezistory v opačné vstupní cestě) lze použít fiktivní komponenty, jako jsou rezistory s nulovým odporem. Umístění odpovídajících součástek do těsné blízkosti a jejich orientace stejným způsobem zajistí stejná Seebeckova napětí, čímž se eliminují tepelné chyby.

Kromě toho může být nutné použít vodiče stejné délky, aby se tepelná vodivost udržela v rovnováze. Zdroje tepla na desce by měly být co nejdále od vstupních obvodů zesilovače. Dále lze použít zemnicí rovinu, která pomáhá distribuovat teplo po desce, aby se na desce udržela konstantní teplota a snížilo se zachytávání rušení EMI.

Závěr

Dnešní integrované obvody s nulovým driftem nabízejí vysoce stabilní a přesný výkon, díky čemuž představují řešení problémů AFE v reálných aplikacích vyžadujících přesnost a konzistenci při zachycování velmi nízkofrekvenčních signálů. Tato zařízení řeší dlouhotrvající problém s přesným zesílením těchto signálů, které jsou stejnosměrné nebo téměř stejnosměrné, a také mnoho situací, kdy je také vyžadována větší šířka pásma. Sloučením dvou dostupných technik pro sestavení takových zesilovačů do jednoho integrovaného obvodu – jmenovitě stabilizace založené na přerušovači („chopperu“) a automatického nulování – konstruktéři těží z pozitivních vlastností jednotlivých přístupů, což také výrazně minimalizuje jejich artefakty a nedostatky.