Операционные усилители с нулевым дрейфом


PDF версия

В статье рассматриваются принципы работы усилителей с нулевым дрейфом, а также преимущества и недостатки разных топологий их остроения.

Что представляют собой усилители с нулевым дрейфом?

Усилители с нулевым дрейфом динамически корректируют напряжение смещения и изменяют форму кривой спектральной плотности шума. У двух стандартных типов таких устройств — усилителя с автоматической установкой на нуль и усилителя со стабилизацией прерыванием — смещение составляет порядка нескольких нановольт, а дрейф со временем и под влиянием изменений температуры крайне мал. Шум усилителя вида 1/f воспринимается как погрешность по постоянному току и также значительно уменьшается. Усилители с нулевым дрейфом имеют много преимуществ, которыми пользуются разработчики, поскольку от дрейфа температуры и шума 1/f, всегда присутствующих в системе, иными способами очень трудно избавиться. Кроме того, усилители с нулевым дрейфом обеспечивают более высокий коэффициент усиления разомкнутой системы, больший коэффициент подавления влияния напряжения питания (PSR) и лучше ослабляют синфазный сигнал по сравнению со стандартными усилителями. Кроме того, их погрешность на выходе меньше, чем у стандартных прецизионных усилителей в той же конфигурации.

Приложения для усилителей с нулевым дрейфом

Усилители с нулевым дрейфом используются в системах с расчетной долговечностью более 10 лет и в схемах с высокими коэффициентами усиления замкнутой цепи (>100), работающих на низких частотах (<100 Гц), и сигналами малой амплитуды. К числу таких приложений относятся прецизионные весы, медицинские приборы, высокоточное метрологическое оборудование, датчиковые интерфейсы.

Принцип автокоррекции нуля

Такие усилители с автоматической установкой нуля как семейства AD8538, AD8638, AD8551 и AD8571, как правило, корректируют входное смещение за две фазы синхронизации. Во время первой фазы (см. рис. 1) ключи  ϕА закрыты, а ключи ϕВ — открыты. Напряжение смещения обнуляющего усилителя измеряется, а его значение сохраняется на конденсаторе CM1.

Рис. 1. Фаза А обнуления усилителя с автокоррекцией нуля

Во время фазы синхронизации В ключи ϕВ закрыты, а ключи ϕА — открыты, как показано на рисунке 2. Напряжение смещения основного усилителя измеряется, а его значение сохраняется на конденсаторе CM2, в то время как сохранившееся значение на конденсаторе CM1 обеспечивает смещение обнуляющего усилителя. Суммарное смещение поступает на основной усилитель при обработке входного сигнала.

Рис. 2. Фаза В обнуления усилителя с автокоррекцией нуля

Функция выборки и хранения превращает усилители с автокоррекцией нуля в системы с дискретной выборкой данных, вызывая эффекты наложения спектров и зеркального отражения (эффект стробоскопа). На низких частотах шум изменяется медленно, поэтому вычитание двух последовательных выборок сигнала шума обеспечивает полную компенсацию. При более высоких частотах эта корреляция уменьшается, и потому погрешности вычитания приводят к ограничению широкополосных составляющих, которые «отражаются» в основную полосу частот. Таким образом, у усилителей с автокоррекцией нуля больше внутриполосный шум, чем у стандартных ОУ. Для уменьшения НЧ-шума следует повысить частоту выборки. Однако при этом в сигнальный тракт инжектируется дополнительный заряд от коммутирующих ключей. Тракт сигнала заключает только основной усилитель, поэтому создается сравнительно большая полоса пропускания с единичным усилением.

Принцип работы усилителя со стабилизацией прерыванием

На рисунке 3 показана блок-схема чопперного усилителя ADA4051, в котором используется контур обратной связи с автокоррекцией (Autocorrection Feedback, ACFB). В основной сигнальный тракт входит цепь прерывания CHOP1, управляемый напряжением усилитель тока Gm1, выходная цепь прерывания CHOP2 и управляемый напряжением усилитель тока Gm2. Цепи CHOP1 и CHOP2 модулируют исходное смещение и шум 1/f от Gm1 вплоть до частоты прерываний. Управляемый напряжением усилитель тока Gm3 считывает модулированные пульсации на выходе CHOP2. Цепь прерывания CHOP3 демодулирует их в сигнал постоянного тока. Все три цепи прерывания переключаются при 40 кГц.

Рис. 3. Схема прерывания в ADA4051. Контур обратной связи с антикоррекцией компенсирует исходное смещение выхода Gm1, в результате чего пульсации уменьшаются

Наконец, управляемый напряжением усилитель тока Gm4 обнуляет составляющую постоянного тока на выходе Gm1, которая, в противном случае, воспринималась бы как пульсация выходного тока. Узкополосный режекторный фильтр переключаемого конденсатора выборочно подавляет нежелательные пульсации, вызванные смещением, не искажая требуемый входной сигнал с выхода всей цепи. Фильтр синхронизуется с тактовым сигналом прерывания, успешно отфильтровывая модулированные компоненты.

Комбинация двух методов

В новой серии усилителей от Analog Devices объединяются оба метода. В усилителе AD8628 с нулевым дрейфом (см. рис. 4) используется автокоррекция нуля и прерывание, снижающие потребление энергии на частоте прерывания. При этом уровень шума очень низкий при более низких частотах. Данный комбинированный метод увеличивает полосу частот по сравнению с теми схемами, в которых используются стандартные усилители с нулевым дрейфом.

Рис. 4. В усилителе AD8628 используется комбинация двух методов для увеличения полосы пропускания

Недостатки усилителей с нулевым дрейфом

Усилители с нулевым дрейфом являются составными устройствами, в которых используется цифровая цепь для динамической коррекции аналоговых погрешностей смещения. Инжекция заряда, интермодуляционное искажение и рост времени восстановления из-за перегрузок, возникающих при цифровой коммутации, приводят к проблемам в плохо спроектированных аналоговых цепях. Величина прохождения тактового сигнала увеличивается с ростом коэффициента замкнутой цепи обратной связи или сопротивления источника питания. Выходной фильтр или меньшее сопротивление на неинвертирующем входе снижают этот эффект. Кроме того, пульсации на выходе усилителя с нулевым дрейфом увеличиваются по мере того, как частота входного сигнала достигает значения частоты прерывания.

Что происходит с сигналами на частотах выше частоты внутреннего тактового генератора

Сигналы на частоте выше рабочей частоты схемы автокоррекции нуля могут усиливаться. Динамические параметры такого усилителя зависят от произведения коэффициента усиления на ширину полосы пропускания, которое, в свою очередь, определяется основным, а не обнуляющим усилителем. Рабочая частота усилителя с автоподстройкой нуля показывает, при какой частоте коммутации возникают искажения сигнала.

Различия между автокоррекцией нуля и прерыванием

При автоматической установке нуля используется выборка для коррекции смещения, тогда как в прерывании применяется модуляция и демодуляция. Дискретизация вызывает шум, приводящий к отражению сигнала высокой частоты в основную полосу частот. По этой причине усилители с автокоррекцией нуля имеют больший внутриполосный шум. Для его подавления требуется больший ток, что увеличивает рассеиваемую мощность устройства. У усилителей с прерывателем НЧ-шум схож с шумом в плоской зоне, но эти устройства рассеивают большое количество энергии на частоте прерывания и ее гармониках. В таких случаях требуется выходная фильтрация, поэтому данные усилители пользуются наибольшим спросом в НЧ-приложениях. Типичные характеристики методов автоматической установки нуля и прерывания представлены на рисунке 5.

Рис. 5. Типовые характеристики шума различных топологий усилителей

Области применения усилителей с двумя разными топологиями

Усилители со стабилизацией прерыванием хорошо зарекомендовали себя в низкочастотных (<100 Гц) приложениях с малым потреблением, тогда как усилители с автоматической установкой нуля с успехом применяются в широкополосных системах. Устройство AD8628, в котором реализуются обе топологии, обеспечивают идеальную работу широкополосных систем с малым шумом и отсутствием ошибок коммутации. В таблице 1 перечислены некоторые характеристики систем с использованием рассмотренных топологий.

Таблица 1. Характеристики систем с использованием трех топологий

Автокоррекция нуля

Стабилизация прерыванием

Комбинация двух методов

Крайне малое смещение, TCVOS

Крайне малое смещение, TCVOS

Крайне малое смещение, TCVOS

Выборка и запоминание

Модуляция/демодуляция

Выборка и запоминание, модуляция/демодуляция

Высокий НЧ-шум из-за наложения спектров

Шум, схожий с шумом в плоских зонах (наложение спектров отсутствует)

Суммарный шум

Большое энергопотребление

Малое энергопотребление

Большое энергопотребление

Широкая полоса пропускания

Узкая полоса пропускания

Самая широкая полоса пропускания

Минимальные пульсации

Большие пульсации

Меньшие пульсации, чем во второй топологии

Малое потребление на частоте схемы коррекции

Большое потребление на частоте прерывания

Малое потребление на частоте схемы коррекции

Литература

1. “Bridge-Type Sensor Measurements Are Enhanced by Auto-Zeroed Instrumentation Amplifiers”. www.analog.com/library/analogdialogue/cd/vol38n2.pdf#page=6.

2. “Demystifying Auto-Zero Amplifiers–Part 1”//www.analog. com/library/analogdialogue/cd/vol34n1.pdf#page=27.

3. “Demystifying Auto-Zero Amplifiers–Part 2”//www.analog. com/library/analogdialogue/cd/vol34n1.pdf#page=30.

4. MT-055 Tutorial, Chopper Stabilized (Auto-Zero) Precision Op Amps//www.analog.com/static/imported-files/tutorials/ MT-055.pdf.

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *