Obstaja veliko senzorskih signalov, ki se uporabljajo v praksi, zlasti takšnih, povezanih z naravnimi pojavi, ki kažejo le zelo počasne in majhne spremembe glede na čas. Vendar so ravno te komaj zaznavne spremembe pomembne za razvoj vpogleda in razumevanja situacije.
Digi-Key Electronics
Avtor: Rolf Horn
Nekaj od številnih primerov so merilniki sile (angl. strain gauge), ki nadzirajo gibanje mostu ali strukture, podvodni pretvorniki za potek toka, pojavi, povezani s temperaturo, merilniki pospeškov, ki zaznavajo gibanje, povezano s potresi in premiki tektonskih plošč, izhodi raznih optičnih senzorjev in skoraj vsi biopotencialni signali.
Učinkovito in natančno zaznavanje zelo šibkih signalov je vedno predstavljalo izziv. Zlahka jih zmoti šum, zato je ojačitev signalov ključnega pomena pri doseganju potrebne amplitude in vzdrževanje razmerja signal-šum (SNR). Nizka frekvenca teh signalov, ki je pogosto manj kot deset ali nekaj deset hercev (Hz) in se jim pogovorno in na splošno reče »DC signali« predstavlja dodatni izziv.
Vsak začetni enosmerni premik parametrov ojačevalnika, kot so premik prednastavljenega toka ali napetosti in inherentni 1/f (rožnati) šum, ter nadaljnji neizogibni premiki zmogljivosti zaradi premikanja temperature, nihanja napajalne napetosti ali staranja komponent, poslabšajo zmogljivost signalne verige.
Ojačevalniki s »premikom ničenja« so bili običajno učinkoviti samo pri uporabi pri nizkih pasovnih širinah, saj tehnike za zmanjšanje dinamičnih napak pri višjih frekvencah proizvajajo številne artefakte. Vendar je to zelo omejena ovira, saj imajo lahko ti enosmerni signali nenadne izbruhe pomembne višje frekvence in širše pasovne širine, na primer ob nenadnem zlomu strukture ali potresu.
Zato je vhodni ojačevalnik, ki ima zelo nizek premik za DC signale in tudi dobro deluje pri visokih frekvencah, zelo zaželen. Na srečo so napredki v topologiji in zasnovi omogočili razvoj integriranih vezij ojačevalnika s premikom ničenja, ki deluje od DC do visokih frekvenc, ki dejansko izniči zamik, premik parametrov in šum 1/f.
Ta članek bo z uporabo komponent podjetjaAnalog Devices (ADI) predstavil lastnosti ojačevalnikov s premikom ničenja, njihovih parametrov in težav. Nato bomo raziskali, kako se realizirajo funkcije ojačevalnikov s premikom ničenja kot tudi tehnike za izboljšanje delovanja ojačevalnika in povezane verige signalov.
Delovanje z drsenjem brez ničenja
Drsenje je zamik osnovnega delovanja in je primarno (vendar ne v celoti) posledica različnih toplotnih učinkov in senzorja kot tudi vhodnega analognega vezja (AFE). Običajna rešitev za doseganje skoraj ničelnega drsenja je uporaba omejilnega stabiliziranega ojačevalnika, ki modulira nizkofrekvenčni signal (pogosto se imenuje DC signal) na višjo frekvenco, ki jo je lažje nadzorovati in filtrirati; v poznejši izhodni stopnji demodulacije ojačevalnika se originalni signal obnovi, vendar v ojačani obliki. Ta tehnika deluje in je bila več let uspešno v uporabi.
Treba se je zavedati, da »DC signal« ni najbolj natančno poimenovanje in da bi bilo bolj natančno reči »skoraj DC«. Če bi signal bil resnično DC in bi torej imel konstantno vrednost, ne bi imel variacij, ki nosijo informacije – namesto tega so počasne variacije predmet zanimanja. Kljub temu pa se v splošni terminologiji uporablja izraz »DC signal«.
Alternativa stabilizaciji na osnovi preklapljanja je pristop »samodejnega ničenja«. Ta tehnika uporablja dinamične popravke za doseganje podobnih rezultatov, vendar z nekoliko drugačnim naborom kompromisov v delovanju. Ojačevalniki s premikom ničenja lahko uporabljajo rezanje, samodejno ničenje ali kombinacijo obeh tehnik za preprečevanje neželenih virov napak pri nizkih frekvencah. Ponovno poudarjamo, da gre za manjšo napako v terminologiji: termin »premik ničenja« je nekoliko zavajajoč: res drži, da imajo ti ojačevalniki zelo nizek, skoraj ničen premik, niso popolni – čeprav so zelo blizu. Vsaka tehnika ima svoje prednosti in slabosti ter se uporablja v različnih primerih:
- Preklop uporablja modulacijo in demodulacijo signala ter ima nižji kompozitni šum, vendar proizvaja artefakte šuma na stikalni frekvenci in njenih harmonikih.
- Po drugi strani pa samodejno ničenje uporablja vezje vzorca in zadržanja (angl. sample and hold) ter je primerno za uporabo v večjih pasovnih širinah, vendar ima več napetostnega šuma v pasu zaradi »prepogibanja« šuma nazaj na kompozitni del spektra.
- Napredna integrirana vezja ojačevalnikov s premikom ničenja združujejo obe tehniki za nudenje najboljšega iz obeh strani. Obvladajo spektralno gostota šuma (NSD) za omogočanje nižjega kompozitnega šuma, obenem pa zmanjšajo napake pri visokih frekvencah, kot so rahlo valovanje, manjše napake in intermodulacijska distorzija (IMD) (slika 1).
Začnimo s omejevanjem
Ojačevalnik,stabiliziran s omejilnik (imenovan tudi omejilni ojačevalnik ali preprosto »omejilnik«) uporabljaomejilno vezje za prekinitev (omejevanje) vhodnega signala, da se ta lahko obdela, kod bi bil moduliran AC signal. Nato demodulira signal nazaj v DC na izhodu, da izvleče originalni signal.
Na ta način se lahko ojačajo izjemno šibki DC signali, učinki neželenih premikov pa so zelo zmanjšani proti nič. Stikalna modulaciji loči zamik in nizkofrekvenčni šum vsebine signala z modulacijo napak na višje frekvence, kjer se lahko veliko lažje zmanjšajo ali odstranijo s filtriranjem.
Podrobnosti operacij omejevanja se lahko preprosto razumejo v časovni domeni (slika 2). Vhodni signal (a) se modulira s preklopnim signalom (b) v pravokotno valovanje. Ta signal se demodulira (c) na izhodu (d) se pretvori nazaj v DC. Povezane nizkofrekvenčne napake (rdeče valovanje) v ojačevalniku so (c) modulirane na izhodu na pravokotno valovanje, ki se nato (d) filtrira z nizkoprepustnim filtrom (LPF).
Veliko pove tudi analiza frekvenčne domene (slika 3). Vhodni signal (a) se modulira na stikalno frekvenco (b), obdela se na ojačevalni stopnji pri fCHOP, na izhodu se demodulira nazaj na DC (c), in na koncu se vodi skozi LPF (d). Viri zamika in šuma (rdeč signal) ojačevalnika se obdelajo pri DC prek ojačevalne stopnje, modulirajo se na fCHOP izhodnimi stikali preklapljanja (c), nato pa se filtrirajo z LPF (d). Ker se uporablja modulacija pravokotnega signala, pride do modulacije pri lihih večkratnikih modulacijske frekvence.
Seveda ni nobena zasnova popolna. Tako slika časovne domene kot tudi frekvenčne domene prikazujeta, da bo prišlo do preostale napake zaradi moduliranega šuma in zamika, saj LPF filter ni popolna »kamnita stena«.
Napredovanje proti samodejnemu ničenju
Samodejno ničenje je tehnika dinamičnega popravljanja, ki deluje z vzorčenjem in odštevanjem virov nizkofrekvenčnih napak v ojačevalniku. Osnovni ojačevalnik s samodejnim ničenjem je sestavljen iz ojačevalnika z njegovim neizogibnim zamikom in šumom, stikali za rekonfiguracijo vhoda in izhoda in kondenzatorjem vzorčenja samodejnega ničenja (slika 4).
Med fazo samodejnega ničenja, φ1, se na vhodu vezja naredi kratki stik na maso in kondenzator samodejnega ničenja vzorči vhodno napetost zamika ter šum. Pomembno se je zavedati, da med to fazo ojačevalnik »ni na voljo« za ojačitev signala, saj ima drugo nalogo. Če torej želimo, da ojačevalnik s samodejnim ničenjem deluje neprekinjeno, je treba preplesti dva identična kanala v tako imenovanem samodejnem »ping-pong« ničenju.
Med fazo ojačenja, φ2, se vhod poveže nazaj s potjo signala in ojačevalnik lahko ponovno ojači signal. Nizkofrekvenčni šum, zamik in premik se izničijo s samodejnim ničenjem. Napaka, ki ostane, je razlika med vrednostjo toka in prejšnjim vzorcem napak.
Ker se viri nizkofrekvenčnih napak med φ1 in φ2 ne spreminjajo kaj dosti, to odštevanje dobro deluje. Vendar pa se visokofrekvenčni šum z zobčanjem zniža na kompozitni šum in poveča se prag belega šuma (slika 5).
Delovanje naprednih integriranih vezij ojačevalnikov s samodejnim ničenjem je izjemno. Običajno so boljši celo od »zelo dobrih« natančnih operacijskih ojačevalnikov za eno ali dve magnitudi kritičnih specifikacij zamika, premika in šuma. Tudi če njihove številke seveda niso nič, so zelo blizu.
Na primer, ojačevalnik ADA4528 je enokanalni, vod-na-vod (angl. Rail-To-Rrail) ojačevalnik s premikom ničenja, ki ima maksimalno napetost zamika 2,5 mikrovoltov (μV), maksimalni zamik premika napetosti samo 0,015 μV/°C in gostoto šuma napetosti 5,6 (nV)/√Hz) (pri f = 1 (kHz), ojačitev +100) in 97 nVp-p(za f = 0,1 Hz do 10 Hz, ojačenje +100). Ojačevalnik ADA4522, še eden enokanalni RTR ojačevalnik s premikom ničenja, nudi maksimalno napetost zamika 5 μV, maksimalni zamik premika napetosti 22 nV/°C, gostoto šuma napetosti 5,8 nV/√Hz (tipično) in 117 nVp-p od 0,1 Hz do 10 Hz (tipično) in z vhodnim tokom 50 pikoamperov (pA) (tipično).
Artefakti lahko zmanjšajo »popolnost«
Čeprav preklapljanje dobro deluje za odstranjevanje neželenega zamika, premika in 1/f šuma, povezano proizvede neželene AC artefakte, kot so rahlo izhodno valovanje in manjše napake. Vendar pa zaradi podrobnega pregleda glavnega vzroka posameznih artefaktov, ki mu je sledila uporaba naprednih ali sofisticiranih topologij in pristopov, so izdelki s premikom ničenja podjetja Analog Devices občutno zmanjšali magnitudo teh artefaktov in jih locirali pri višjih frekvencah, kjer jih je lažje odstraniti s filtriranjem na nivoju sistema. Ti artefakti so naslednji:
Rahlo valovanje:
Osnovna posledica tehnike stikalne modulacije, ki premakne te nizkofrekvenčne napake na lihe harmonike stikalne frekvence. Proizvajalci ojačevalnikov uporabljajo številne metode za zmanjšanje učinke rahlega valovanja, vključno z naslednjim:
- Rezanje zamika med proizvodnjo: Nominalni zamik se lahko občutno zmanjša z izvedbo enkratnega začetnega rezanja, vendar premik zamika in 1/f šum ostaneta.
- Združevanje preklapljanja in samodejnega ničenja: Na ojačevalniku se najprej nastavi samodejno ničenje, nato pa se uporabi stikalna tehnika za dvig modulacije in povečanje spektralne gostote (NSD) na višjo frekvenco (kot je razvidno iz prejšnje slike, ki prikazuje posledični spekter šuma po preklapljanju in samodejnem ničenju).
- Samodejni popravek povratne zanke (ACFB): Lokalna povratna zanka se lahko uporablja za zaznavanje moduliranega rahlega valovanja na izhodu in za izničenje nizkofrekvenčnih napak pri njihovem viru.
Majhne napake:
Začasne konice, ki jih povzroči neujemanje vhoda naboja stikal. Magnituda teh majhnih napak je odvisna od številnih dejavnikov, vključno z upornostjo vira in količino neujemanja naboja.
Konice majhnih napak ne povzročajo samo artefaktov pri sodih harmonikih stikalne frekvence ampak tudi ustvarjajo preostali DC zamik, ki je proporcionalen glede na frekvenco rezanja. Na sliki 6 (levo) je prikazano, kako so te konice videti znotraj stikal pri V1 in po izhodu stikal pri V2. Poleg tega so artefakti majhnih napak pri sodih harmonikih stikalne frekvence končne pasovne širine ojačevalnika (slika 6, desno).
Tako kot pri rahlem valovanju so proizvajalci ojačevalnikov zasnovali in implementirali komaj opazne, vendar učinkovite tehnike za zmanjšanje vpliva majhnih napak v ojačevalnikih s premikom ničenja:
- Rezanje vhoda naboja: Naboj, ki se lahko reže, se lahko peljena vhode ojačevalnika z rezanjem za kompenzacijo neujemanja naboja, ki zmanjša količino vhodnega toka na vhodih operacijskega ojačevalnika.
- Večkanalno rezanje: S tem se ne zmanjša samo magnituda majhnih napak ampak jih tudi prestavi v višjo frekvenco, zato je filtriranje preprostejše. S to tehniko se dosežejo bolj pogoste majhne napake ampak z manjšimi magnitudami kot če bi jih preprosto rezali pri višji frekvenci.
Jasen prikaz večkanalnega rezanja se pokaže v primerjavi med običajnim ojačevalnikom s premikom ničenja (A) z ojačevalnikom ADA4522, ki uporablja to tehniko za občutno zmanjšanje vpliva majhnih napak (slika 7).
Od ojačevalnika samega do delovanja sistema
Učinkovita uporaba širokopasovnih ojačevalnikov s premikom ničenja zahteva dober razmislek o težavah na ravni sistema kot tudi ojačevalnika. Razumevanje, kje so preostali artefakti frekvence na frekvenčnem spektru in njihov vpliv, je ključnega pomena.
Frekvenca rezanja je običajno, vendar ne vedno, navedena na podatkovnem listu. Določi se lahko tudi z opazovanjem zasnove spektra šuma. Podatkovni list ojačevalnika ADA4528 na primer izrecno navaja frekvenco rezanja pri 200 kHz. To je tudi vidno v zasnovi gostote šuma (slika 8).
Podatkovni list ojačevalnika ADA4522 navaja, da je frekvenca rezanja 4,8 megahercev (MHz) z zamikom in zanko popravka rahlega valovanja, ki deluje pri 800 kHz. Graf gostote šuma na sliki 9 prikazuje te konice šuma. Vidna je tudi naraščanje šuma pri 6 MHz zaradi zmanjšane fazne omejitve zanke, ko je v enotnem ojačenju, vendar to ni značilno samo za ojačevalnike s premikom ničenja.
Proizvajalci bi morali upoštevati, da je frekvenca, navedena na podatkovnem listu, tipska številka in se lahko razlikuje od čipa do čipa. Zato bi morala zasnova sistema, ki zahteva dva ojačevalnika z rezanjem, za več kanalov kondicioniranja signala, morala uporabljati dvojni ojačevalnik. To pa zato, ker lahko imata dva posamezna ojačevalnika nekoliko različne frekvence rezanja, ki lahko posledično motijo in povzročajo dodatno intermodulacijsko popačenje (IMD).
Preostali pogoji zasnove na nivoju sistema vključujejo naslednje:
Usklajevanje upornosti vira vhoda: Prehodne majhne napake toka motijo upornost vira vhoda, s čimer povzročajo napake v diferencialni napetosti, kar lahko posledično povzroči dodatne artefakte na večkratnikih stikalne frekvence. Za minimaliziranje tega potencialnega vira napak, se mora vsak vhod ojačevalnika z rezanjem oblikovati tako, da se vidi ista upornost.
IMD artefakti zobčanja: Vhodni signal ojačevalnika z rezanjem se lahko pomeša s stikalno frekvenco, fCHOP, da se ustvari IMD pri njihovem seštevku in proizvodi razlike ter njihove harmonike: fIN ± fCHOP, fIN ± 2fCHOP, 2fIN ± fCHOP in tako naprej. Ti proizvodi IMD se lahko pojavijo v pasu, ki nas zanima, zlasti ko se fIN približa stikalni frekvenci. Kljub temu je izbira ojačevalnika s premikom ničenja s stikalno frekvenco, ki je veliko večja kot pasovne širine vhodnega signala, občutno zmanjša to težavo tako, da zagotovi, da se bodo možni »moteči dejavniki« na frekvencah, ki so blizu fCHOP, filtrirali pred to stopnjo ojačenja.
Artefakti rezanja se lahko tudi zmanjšajo z zobčanjem, ko se vzorči izhod ojačevalnika z analogno-digitalnim pretvornikom (ADC). Specifične lastnosti teh IMD proizvodov so odvisne od magnitud majhnih napak in rahlega valovanja in se lahko razlikujejo od čipa do čipa, zato je pogosto potrebno, da se pred ADC vključijo filtri, ki preprečujejo zobčanje, da se zmanjša ta IMD.
Nič čudnega torej ni, da je filtriranje ključnega pomena pri uresničevanju popolnega potenciala ojačevalnikov s premikom ničenja, saj je najbolj učinkovit način za obravnavo teh artefaktov pri visokih frekvencah na nivoju sistema. Nizkoprepustni filter med ojačevalnikom s premikom ničenja in ADC zmanjša artefakte rezanja in preprečuje zobčanje.
Ojačevalniki s premikom ničenja z višjimi stikalnimi frekvencami sprostijo zahteve za LPF in omogočajo večjo pasovno širino signala. Kljub temu pa je glede na to koliko zavračanja izvenpasovnih signalov potrebuje sistem in signalna veriga, bo morda namesto enostavnega potreben višje razvrščeni aktivni filter.
ADI ima različne vire za pospešitev poenostavitev zasnove filtra, vključno z navodili za filtriranje večkratnih povratnih zank (MT-220) in spletno orodje za oblikovanje filtrov Wizard. Poznavanje frekvenc, pri katerih se pojavljajo ti artefakti rezanja, pomaga pri izdelavi potrebnega filtra (slika 10).
Iztiskanje še zadnjih kapljic učinkovitosti
Ena od težav, s katerimi se srečajo proizvajalci pri uporabi naprednih komponent v povezavi z natančno zasnovo sistema, je ta, da viri preostalih napak zdaj postanejo večji. Viri napak, ki do zdaj niso bili relevantni ali neopazni, so zdaj omejujoči dejavniki pri doseganju učinkovitosti na vrhunskem nivoju (podobno kot da se reka med sušo posuši in se prvič razkrijejo lastnosti rečnega dna). Z drugimi besedami, viri napak tretjega reda postanejo težava, ko se viri napak prvega in drugega reda zmanjšajo ali odstranijo.
Na primer, pri ojačevalnikih s premikom ničenja in njihovih kanalih analognih signalov je eden potencialni vir napake zamika Seebeck napetost na tiskanem vezju. Ta napetost se pojavi na stičišču dveh nepodobnih kovin in je funkcija temperature stičišča. Najobičajnejša kovinska stičišča na tiskanem vezju so sledi spajkanja na ploščo in vod spajkanja na komponento.
Upoštevajte presek na površino nameščene komponente, spajkane na ploščo s tiskanim vezjem (slika 11). Sprememba temperature na plošči, če je na primer TA1 različna od TA2, povzroči neujemanje Seebeck napetosti na spajkanih spojih, posledica pa so napake toplotne napetosti, ki poslabšajo učinkovitost zelo nizkih napetosti zamika ojačevalnikov s premikom ničenja.
Za zmanjšanje teh učinkov termičnih spojev, je treba upore usmeriti tako, da različni viri toplote enakomerno grejejo oba konca. Če je možno, morajo poti vhodnih signalov vsebovati skladne številke in tipe komponent, da se ujemajo s številko in tipom stičišč termičnih spojev. Nadomestne komponente, ko so kratkostični upori, se lahko uporabljajo za usklajevanje virov termoelektričnih napak (s pravimi upori na nasprotni poti vhoda). Postavljanje usklajenih komponent blizu in usmerjanje teh komponent na enak način, zagotovi enake Seebeck napetosti, s tem pa se toplotne napake izničijo.
Poleg tega je morda potrebno uporabiti vode enakih dolžin, da toplotna prevodnost ostane v ravnovesju. Vir toplote na plošči mora biti čim dlje od vhodnega vezja ojačevalnika, kot je mogoče. Poleg tega se lahko uporabi osnovna plast, ki pomaga razdeliti toploto po celotni plošči, da se ohrani konstantna temperatura po celotni plošči in zmanjša zaznavanje EMI šuma.
Zaključek
Integrirana vezja s premikom ničenja dandanes nudijo zelo stabilno in natančno delovanje, zato so dobra rešitev za izziv analognemu vezju v ospredju AFE v realnih aplikacijah, kjer je potrebna natančnost in konsistenca pri zaznavanju signalov zelo nizkih frekvenc. Razrešijo dolgotrajno težavo natančne ojačitve teh signalov, ki so na ali blizu DC, kot tudi številnih situacij, kjer je potrebna tudi širša pasovna širina. Z združitvijo obeh razpoložljivih tehnik pri izdelavi takšnih ojačevalnikov v enem integriranem vezju – in sicer stabilizacija na osnovi rezanja in samodejno ničlišče – imajo proizvajalci prednost pozitivnih lastnosti obeh pristopov, kar prav tako zelo zmanjša artefakte in pomanjkljivosti.
Povezana vsebina:
1. AN-1114, »Lowest Noise Zero-Drift Amplifier Has 5.6 nV/√Hz Voltage Noise Density«
https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/application-notes/AN-1114.pdf
2. Navodila MT-055, »Chopper Stabilized (Auto-Zero) Precision Op Amps«
https://www.analog.com/media/en/training-seminars/tutorials/MT-055.pdf
3. Mini navodila MT-220, »Multiple Feedback Filters«
https://www.analog.com/media/en/training-seminars/tutorials/mt-220.pdf
4. »Evaluating Zero-Drift Amplifier Performance« (video)
https://www.analog.com/en/education/education-library/videos/5579264782001.html
5. »Ask The Applications Engineer—39: Zero-Drift Operational Amplifiers«
https://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/zero-drift-operational-amps.html
6. »Demystifying Auto-Zero Amplifiers—Part 1«
https://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/demystifying-auto-zero-amplifiers-part-1.html
7. »Demystifying Auto-Zero Amplifiers—Part 2«
https://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/demystifying-auto-zero-amplifiers-part-2.html
8. »Zero-Drift Amplifiers: Now Easy to Use in High Precision Circuits«
https://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/zero-drift-amplifiers.html
9. »To Chop or Auto-Zero: That Is the Question«
https://www.analog.com/en/technical-articles/to-chop-or-auto-zero-that-is-the-question.html
10. »How to Use Zero-Drift Amplifiers in Wider Bandwidth Applications«
https://www.analog.com/media/en/analog-dialogue/volume-56/number-4/how-to-use-zero-drift-amplifiers-in-wider-bandwidth-applications.pdf
