Ўзмацняльнікі з нулявым дрэйфам: цяпер простыя ў выкарыстанні ў высокадакладных схемах

Узмацняльнік з нулявым дрэйфам, як вынікае з назвы, уяўляе сабой узмацняльнік са зрушэннем напружання зрушэння вельмі блізка да нуля. Ён выкарыстоўвае тэхналогію аўтаматычнага абнулення або здрабнення або іх камбінацыю для бесперапыннай самастойнай карэкцыі памылак пастаяннага току з цягам часу і тэмпературы. Гэта дазваляе ўзмацняльніку дасягнуць зрушэння ўзроўню мікравольтаў і надзвычай нізкіх зрухаў зрушэння. Такім чынам, ён адназначна падыходзіць для выкарыстання ў схемах кандыцыянавання сігналаў з высокім узмацненнем і дакладнасцю. Напрыклад, датчык (напрыклад, датчык тэмпературы, ціску або датчыка нагрузкі) звычайна вырабляе нізкае ўзроўню выходнага напружання, і таму патрабуецца ўзмацняльнік для ўзмацнення выхаду без дадатковых памылак. Узмацняльнікі з нулявым дрэйфам, прызначаныя для звышмалага напружання зрушэння і дрэйфу, высокага адхілення агульнага рэжыму, высокага адключэння харчавання і зніжэння шуму 1/f, з'яўляюцца ідэальным выбарам для дасягнення высокага ўзроўню дазволу ў патрабавальных сістэмных прыкладаннях, такіх як зандзіравання, з доўгім жыццёвым цыклам прадукту. Асноўная архітэктура ўзмацняльніка з нулявым дрэйфам На малюнку 1 паказана схема асноўнага ўзмацняльніка здрабняльніка ў канфігурацыі ўзмацнення адзінства. Шлях узмацнення пастаяннага току складаецца з уваходнай сеткі выключальніка (CHOPIN), першага ўзмацняльніка трансправоднасці (Gm1), выхаднога сеткавага выключальніка (CHOPOUT), другога ўзмацняльніка празрыстасці (Gm2) і кандэнсатараў частотнай кампенсацыі (C1 і C2). CHOP і CHOP 'кіруюцца тактавым генератарам і функцыяй для карэкцыі непажаданага напружання зрушэння пастаяннага току (VOS). На малюнку 2 паказана адпаведная дыяграма часу і чаканае выхаднае напружанне (VOUT). Калі сігнал такта CHOP высокі (фаза А), дыферэнцыяльны ўваход і выхад узмацняльніка Gm1 падключаюцца да тракту сігналу без інверсіі. Гэта прыводзіць да станоўчага выхаднага напружання VOUT з -за наяўнасці VOS. Калі сігнал такта CHOP 'высокі (фаза B), уваход і выхад Gm1 падключаюцца да шляху сігналу з інверсіяй, што прыводзіць да адмоўнага выхаднога напружання з -за VOS. Станоўчае і адмоўнае выходнае напружанне ад Gm1 прыводзіць да выхаднога напружання, роўнага ± VOS. Гэтая канцэпцыя здрабнення ў часовай вобласці аналагічная мадуляцыі ў частотнай вобласці. Іншымі словамі, напружанне зрушэння Gm1 мадулюецца ўверх па CHOPOUT да частоты разрыву. З іншага боку, уваходны сігнал двойчы перасякаецца CHOPIN і CHOPOUT. Гэта эквівалентна мадуляцыі ўваходнага сігналу, а затым мадуляцыі ўніз да зыходнай частоты. Такім чынам, уваходны сігнал трапляе на выхад без інверсіі. Станоўчае і адмоўнае выходнае напружанне (± VOS) з Gm1 выяўляецца ў выглядзе пульсацый напругі пры VOUT (малюнак 2). Акрамя таго, гадзіны CHOP і CHOP 'звязаны з вывадамі дыферэнцыяльнага ўваходу праз паразітныя ёмістасці, звязаныя з выключальнікамі. Пры змене стану гадзін зарады ўводзяцца ў дыферэнцыяльныя ўваходныя штыфты. Гэтыя ўпырскванні зараду ператвараюцца ў збоі ў выхаднай напрузе праз абмежаваныя ўваходныя супрацівы крыніцы. Велічыня і форма збояў залежаць ад колькасці і супадзення ўваходных імпедансаў крыніцы і ўпырску зараду на дыферэнцыяльных уваходных штыфтах. Гэтыя выхадныя рабізны і збоі ўводзяць артэфакты пераключэння, якія з'яўляюцца пры павелічэнні спектра шуму на частаце рэзання і яго множных цэлых частотах. Акрамя таго, велічыня і частата пераключэння артэфактаў адрозніваюцца для кожнага ўзмацняльніка нулявога дрэйфу і ад блока да блока. У гэтым артыкуле тэрміны секанне і частата пераключэння выкарыстоўваюцца як сінонімы. Малюнак 1. Сякучая архітэктура. Малюнак 2. Часавая дыяграма. Пераключэнне артэфактаў, як паказана ў табліцы дадзеных Традыцыйна ўзмацняльнікі з нулявым дрэйфам маюць даволі вялікі шырокапалосны шум і нізкія частоты пераключэння, пачынаючы ад некалькіх кілагерц да некалькіх дзясяткаў кілагерц. Гэта абмяжоўвае іх выкарыстанне для прыкладанняў пастаяннага і суб-100 Гц, так што частата пераключэння застаецца па-за цікавай паласы сігналу. Для прыкладанняў, якія патрабуюць высокай дакладнасці і нізкага дрэйфу пры большай прапускной здольнасці, важна выкарыстоўваць узмацняльнік з нулявым дрэйфам з больш высокай частатой пераключэння. На самай справе частата пераключэння часам разглядаецца як заслуга для ўзмацняльнікаў з нулявым дрэйфам. З перадавой архітэктурай праектавання, новыя ўзмацняльнікі з нулявым дрэйфам распрацаваны з меншымі артэфактамі пераключэння на значна больш высокіх частотах. Напрыклад, у дадатак да адключэння напругі зрушэння на 4.8 МГц, ADA4522-2, падвойны падвойны ўзмацняльнік з нулявым дрэйфам, выкарыстоўвае запатэнтаваны цыкл выпраўлення зрушэння і пульсацыі, каб мінімізаваць артэфакты пераключэння. Шлейф выпраўлення працуе на частоце 800 кГц і функцыянуе для зніжэння напругі зрушэння, ± VOS (як паказана на малюнку 2). Зніжэнне ± VOS да 1% ад першапачатковага значэння забяспечвае паляпшэнне артэфакта пераключэння на 40 дБ. Гэта зніжае намаганні праекціроўшчыка сістэмы па дасягненню мэтавай дакладнасці на ўзроўні сістэмы. Самы просты спосаб выявіць артэфакт пераключэння - назіраць за спектрам шчыльнасці шуму напружання ўзмацняльніка. На малюнку 3 паказаны графік шчыльнасці ўваходнага напружання ADA4522-2. Звярніце ўвагу, што канал B дэманструе павелічэнне спектру шуму пры частаце пераключэння 800 кГц. Гэта павелічэнне спектру шуму, як апісана ў папярэдняй частцы гэтага артыкула, з'яўляецца пабочным прадуктам несупадзення ўпырску зараду. Паколькі неадпаведнасць залежыць ад часткі да часткі і ад канала да канала, велічыня ўсплёскаў шуму розная, і не ва ўсіх адзінках назіраецца ўсплёск шуму. Напрыклад, канал А таго ж блока не дэманструе ўсплёскаў шуму пры частаце пераключэння 800 кГц. Частаты пераключэння таксама могуць адрознівацца ад 10% да 20% ад блока да блока з-за змены частаты тактавага асцылятара на чыпе. Малюнак 3. Шчыльнасць напружання ADA4522-2. Параўнанне шуму паміж рознымі ўзмацняльнікамі з нулявым дрэйфам На малюнку 4 паказана шчыльнасць шуму ўваходнага напружання трох розных узмацняльнікаў з высокім напругай з пярэднім краем. Звярніце ўвагу, што ўсе тры правераныя ўзмацняльнікі з нулявым дрэйфам дэманструюць нейкія артэфакты пераключэння. Некаторыя з артэфактаў пераключэння таксама паўтараюцца на шматлікіх цэлых частотах. Гэтыя артэфакты пераключэння могуць быць значнымі і ўнесці памылкі ў канструкцыю схемы. Такім чынам, важна зразумець іх уплыў на ланцуг і знайсці спосабы змякчэння эфекту. Калі ўзмацняльнік мае частату замкнёнага контуру, якая перавышае частату пераключэння, гэта павелічэнне спектру шуму будзе інтэгравана па ўсёй прапускной здольнасці і будзе адлюстроўвацца на выхадзе. Мала таго, гэты ўваходны шум напружання будзе павялічвацца пры ўзмацненні шуму ўзмацняльніка. Напрыклад, выкажам здагадку, што ўзмацняльнік настроены з узмацненнем 100, эфектыўная шчыльнасць шуму па спасылцы на выхадзе таксама павялічыцца ў 100 разоў. Малюнак 4. Шчыльнасць напружання розных узмацняльнікаў з нулявым дрэйфам. Малюнак 5. Убудаваны шум выхаднога напружання. Агульны каэфіцыент шуму, які інтэгруецца на выхадзе ўзмацняльніка, залежыць ад прапускной здольнасці ўзмацняльніка. Шум выхаднога напружання сыходзіць з даступнай прапускной здольнасцю; такім чынам, чым вышэй узмацненне або большая прапускная здольнасць, тым вышэй амплітуда шуму выхаднога ўзмацняльніка. Малюнак 5 паказвае графік інтэграванага шуму выхаднога напружання супраць. частоты. Гэта карысны графік для разумення сумарнага інтэграванага шуму адносна частоты. Напрыклад, калі прапускная здольнасць узмацняльніка абмежавана 100 кГц з дапамогай фільтрацыі, агульны выхадны шум, абумоўлены уласцівым яму узмацняльнікам напругай, можа быць счытаны з графіка і будзе выглядаць наступным чынам: Табліца 1. Выхад Інтэграваны ўзмацняльнік шуму Выхадны шум (мкВ rms) Выхадны шум ад піку да піка (мкВ п.п.) ADA4522-2 1.91 12.61 Узмацняльнік A 3.33 21.98 Узмацняльнік B 6.40 42.24 Выкарыстанне агульнага множніка (так званага каэфіцыента грэбня) для пераўтварэння эфектыўнай напругі ў пікавую да пікавага напружання, ацэнка шуму ад піка да піка паказана ў трэцім слупку табліцы 1. У сістэме 5 В, ADA4522-2 будзе забяспечваць 18.6 біт дазволу пік-пік, а ўзмацняльнік B забяспечвае 16.8 біта дазволу пік-пік. Заўсёды пажадана наяўнасць меншага сумарнага інтэграванага выходнага шуму, паколькі гэта павялічвае суадносіны сігналу і шуму і дае больш высокае дазвол для ўсёй сістэмы. Яшчэ адно цікавае, што варта адзначыць на малюнку 5, гэта тое, што інтэграваны шум павялічваецца з дапамогай ступеністай функцыі на частотах усплёску шуму. Усплёскі шуму (з падвышанай энергіяй шуму), хаця і вузкія, істотна дадаюць да агульнага інтэграванага шуму. Пераключэнне артэфактаў у часовым дамене Часта пераключальныя артэфакты можна выразна ўбачыць у спектры шчыльнасці шуму напружання ў частотнай вобласці. Каб зразумець часовыя паводзіны артэфакта пераключэння, можна наладзіць ўзмацняльнік у буфернай канфігурацыі з неинвертирующим выводам зазямленнем і непасрэдна кантраляваць выхад з дапамогай асцылографа. На малюнку 6 паказаны тыповы выхад двух узмацняльнікаў з нулявым дрэйфам. Звярніце ўвагу, што ўзмацняльнік А дэманструе скокі выхаднога напружання ў розных амплітудах. Усплёскі паўтараюцца кожныя 0.66 мкс. Гэта адпавядае ўсплёскам шуму, якія бачныя на 1.51 МГц на малюнку 4. З іншага боку, ADA4522-2 не паказвае ніякіх артэфактаў пераключэння ў часовай вобласці (сіні графік). Іншымі словамі, усплёскі шуму, якія існуюць, знаходзяцца ніжэй за ўзровень шуму вымяральнай сістэмы і іх немагчыма выявіць. Гэта дазваляе дызайнерам выкарыстоўваць ADA4522-2 у такіх прыкладаннях, як кіраванне АЦП, з упэўненасцю, што ўсплёскі шуму не будуць праблемай. Малюнак 6. Шум выхаднога напружання ў часовай вобласці. Фільтры для змякчэння артэфакту пераключэння Малюнак 7. Ўзмацняльнік з нулявым дрэйфам з устаноўкай фільтра. Малюнак 8. Шчыльнасць напружання шуму ўзмацняльніка з нулявым дрэйфам з адзінкавым узмацненнем з постфільтрам. Каб паменшыць уплыў пераключэння артэфактаў, ёсць некалькі метадаў, якія можна рэалізаваць. Гэтыя метады ў канчатковым рахунку прыводзяць да абмежавання прапускной здольнасці ўзмацняльніка так, каб яна была меншай за частату пераключэння. Выкарыстанне фільтра - эфектыўны спосаб падаўлення ўсплёскаў шуму. Самы просты дызайн-размясціць на выхадзе ўзмацняльніка рэзістарна-кандэнсатарную сетку для стварэння фільтра нізкіх частот (малюнак 7А). На малюнку 8 паказана шчыльнасць шуму напружання ўзмацняльніка з нулявым дрэйфам з паштовым фільтрам, разлічаным на адно-два дзесяцігоддзі ніжэй частоты пераключэння. Усплёск шуму пры 800 кГц зніжаецца з 36 нВ/√Гц (без постфільтра) да 4.1 нВ/√Гц (постфільтр на 80 кГц), што ніжэй за ўзровень шырокапалоснага шуму ўзмацняльніка. З паштовым фільтрам, размешчаным на два дзесяцігоддзі ніжэй частоты пераключэння (постфільтр на 8 кГц), усплёск шуму больш не бачны, і ADA4522-2 выглядае як любы іншы традыцыйны ўзмацняльнік. Некаторыя прыкладанні могуць не пераносіць RC -сеткі на выхадзе ўзмацняльніка. Выхадны ток узмацняльніка, які працякае праз рэзістар фільтра, стварае зрушэнне напружання, якое ўносіць памылку на выхадзе. У гэтым выпадку можна выбраць фільтрацыю ўсплёскаў шуму, размясціўшы кандэнсатар зваротнай сувязі праз контур зваротнай сувязі (малюнак 7 (б)). Малюнак 9 паказвае шчыльнасць шуму выходнага напружання ўзмацняльніка, настроенага на ўзмацненне 10 без фільтрацыі супраць. мець постфільтр або фільтр зваротнай сувязі, размешчаны на дзесяцігоддзе ніжэй частоты пераключэння. Канфігурацыя постфільтра больш эфектыўная ў якасці фільтра нізкіх частот, чым кандэнсатар зваротнай сувязі. Малюнак 9. Пераключэнне артэфакта памяншае з дапамогай фільтраў. Выкарыстанне ўзмацняльнікаў з нулявым дрэйфам у канфігурацыі з высокім узмацненнем дапамагае Многія дызайнеры выкарыстоўвалі ўзмацняльнікі з нулявым дрэйфам, але не назіралі ніякіх артэфактаў пераключэння ў іх сістэме. Адна з прычын можа быць звязана з канфігурацыяй ўзмацняльніка. Узмацняльнікі з нулявым дрэйфам маюць нізкі дрэйф і зрушэнне, і часцей за ўсё выкарыстоўваюцца для сігналізацыі стану сігналу датчыка амплітуды нізкага ўзроўню ў канфігурацыі з высокім узмацненнем, напрыклад, узмацненне ад 100 да 1000. Выкарыстанне ўзмацняльніка ў канфігурацыі з высокім узмацненнем мае той жа эфект, што і размяшчэнне фільтра нізкіх частот на ўзмацняльніку. З павелічэннем узмацнення прапускная здольнасць памяншаецца. Малюнак 10 ілюструе, як канфігурацыя з высокім узмацненнем змякчае эфект пераключэння. Пры ўзмацненні замкнёнага контуру 100 пераключэнне артэфакта наўрад ці можна ўбачыць на графіках шуму. Малюнак 10. Зніжэнне прапускной здольнасці ўзмацняльніка. Перавагі ADA4522-2 як найноўшага аператарскага ўзмацняльніка з нулявым дрэйфам узмацняльніка з нулявым дрэйфам, ADA4522-2, выкарыстоўвае запатэнтаваную і інавацыйную тапалогію схемы для дасягнення высокай частаты пераключэння і мінімізацыі артэфактаў пераключэння ў параўнанні з яе папярэднікі. З прапускной здольнасцю адзінства з узмацненнем на 3 МГц і частатой пераключэння на 800 кГц і 4.8 МГц канфігурацыі ўзмацнення 40 дастаткова для фільтрацыі артэфактаў пераключэння і выключае неабходнасць знешняй фільтрацыі нізкіх частот. Яго нізкі зрух напругі зрушэння максімум 22 нВ/° C, нізкі ўзровень шуму пры 5.8 нВ/√Гц (узмацненне 100 канфігурацый), нізкі ўваходны ток зрушэння на максімуме 150 пА, высокае адхіленне агульнага рэжыму і адключэнне харчавання робяць яго ідэальны выбар для дакладных прыкладанняў, такіх як вагавая вага, зандзіраванне току, пярэднія канцы датчыка тэмпературы, датчыкі і моставыя пераўтваральнікі і многія іншыя крытычна важныя прыкладання. Высновы Узмацняльнікі з нулявым дрэйфам адрозніваюцца вельмі нізкім зрушэннем напружання і дрэйфу і з'яўляюцца ідэальным выбарам для прыкладанняў, якія патрабуюць дакладнага ўзмацнення нізкага ўзроўню сігналаў. Вось некалькі ідэй пры іх выкарыстанні. Усе ўзмацняльнікі з нулявым дрэйфам дэманструюць нейкія артэфакты пераключэння, і гэта часцей за ўсё можна выявіць у дыяграмах шчыльнасці шуму напружання. Велічыня пераключэння артэфакта адрозніваецца ад блока да блока. Частата пераключэння можа адрознівацца ад блока да каэфіцыента 20%. Пераключэнне артэфактаў можа быць выяўлена ў частотнай і часовай вобласці. У залежнасці ад прыкладання, яны могуць прадстаўляць памылкі. Узмацняльнікі з нулявым дрэйфам часта выкарыстоўваюцца ў канфігурацыі з высокім каэфіцыентам узмацнення, дзе прапускная здольнасць зніжаецца і, такім чынам, у шмат разоў пераключэнне артэфактаў не ўяўляе праблемы. Важна змякчыць артэфакты пераключэння, каб паменшыць колькасць памылкі вываду. Выкарыстоўвайце фільтр нізкіх частот (постфільтр RC або кандэнсатар зваротнай сувязі), каб адключыць прапускную здольнасць узмацняльніка перад частатой пераключэння, каб прыдушыць артэфакты. Высокая частата пераключэння спрашчае патрабаванні да фільтра для шырокай, карыснай і без артэфактаў прапускной здольнасці.

Пакінь паведамленне 

спіс паведамленняў