Table of Contents

Понимание архитектуры стабилизированных усилителей

Оперативные усилители, стабилизированные на вертолете, решают постоянные проблемы смещения постоянного тока и низкочастотного шума на архитектурном уровне, а не полагаются исключительно на производственные процедуры отделки или калибровку после сборки. Основная техника, называемая рубкой или модуляцией, периодически изменяет полярность входного сигнала до того, как он достигает основной стадии усиления. Синхронный демодулятор, расположенный после стадии усиления, восстанавливает исходную полярность сигнала, одновременно преобразуя любое смещение, генерируемое самим усилителем, в высокочастотную квадратную волну. Эта квадратная волна вместе с ее гармоническим содержанием затем удаляется фильтром с низким пропуском, оставляя точный выход постоянного тока с ультра-низким остаточным напряжением смещения. Результатом является усилитель, производительность постоянного тока которого приближается к производительности идеального нулевого детектора с эффективными входными смещенными напряжениями, часто измеряемыми в нановольтах.

В классической реализации матрица переключателя CMOS, приводимая в действие внутренним осциллятором, переворачивает входные соединения на частоте, которая обычно падает между несколькими килогерц и несколькими сотнями килогерц. Пара входных дифференциалов видит AC-связанную версию сигнала, но любое смещение постоянного тока, которое происходит в этой паре, становится модулированной ошибкой. После усиления второй набор переключателей, синхронизированный с входными вертолетами, выполняет синхронную выпрямку. Полученная форма волны содержит желаемый сигнал базовой полосы плюс реплику смещения усилителя на частоте разреза и его нечетных гармониках. Фильтр непрерывного времени или переключаемый конденсатор ослабляет эти компоненты ошибки вне диапазона. Результатом является характеристика передачи постоянного тока с эффективным напряжением смещения входа в диапазоне нановольт - часто ниже 1 мкВ, и в некоторых современных частях до 100 нВ в полном диапазоне рабочих температур.

Отрубание vs. Авто-отмена и другие нульирующие методы

Усилители, стабилизированные на вертолете, часто группируются с авто-нулевыми усилителями под зонтичным термином усилители с нулевым разломом, но эти два метода существенно различаются как в теории, так и в практике. Авто-нулевая коррекция смещается путем периодической выборки входного смещения усилителя, хранения этого значения на конденсаторе и вычитания его во время нормальной работы. Этот подход вводит дискретный цикл коррекции времени, который может вводить шум отбора проб непосредственно в полосу сигнала, если не используются сложные стратегии выемки. Отсечение, напротив, представляет собой схему непрерывной модуляции, которая, напротив, не полагается на конденсаторы хранения для отмены смещения. В результате, стабилизированные на вертолете усилители обычно демонстрируют более низкую спектральную плотность шума вблизи постоянного тока, поскольку шум 1/f также модулируется от базовой полосы. Это делает их особенно привлекательными для очень низкочастотных измерений, где полосы пропускания сигнала являются частью герца - приложения, такие как электронные шкалы, считывания термопар и точное датчик тока.

Ультранизкое напряжение и почему это важно

Рабочее напряжение смещения входного усилителя определяется как дифференциальное напряжение постоянного тока, которое должно быть применено между входами, чтобы довести выход до нуля. В стандартных высокоточных оп-ампах смещенные напряжения обрезаются во время изготовления, возможно, до 25 мкВ или 50 мкВ. Хотя эти значения впечатляют для обычных топологий, они все еще производят значительные ошибки при усилении сигналов на уровне микровольта. Смещение 50 мкВ, применяемое к усилителю приборов усиления 1000, генерирует ошибку вывода 50 мВ - легко больше, чем сигнал интереса от моста тензометра или термопиляционного датчика. Когда схема должна разрешать изменения всего нескольких микровольт, даже «точный» оп-ампер может ввести неприемлемый базовый блуждание.

Оп-ампы, стабилизированные на вертолете, толкают остаточное смещение более чем на два порядка ниже. Устройства, такие как ADA4528-1 от Analog Devices, определяют максимальное смещение 2,5 мкВ при 25 °C и типичный дрейф смещения 0,015 мкВ/°C. Семейство OPA333 от Texas Instruments аналогично гарантирует максимальное смещение 10 мкВ в полном температурном диапазоне. Для самых требовательных схем эти цифры по существу устраняют необходимость калибровки смещением на уровне системы, снижая сложность производства и улучшая долгосрочную стабильность. Дизайнеры, работающие с высокоточными ADC, часто могут опустить обрезку потенциометров и калибровочные процедуры, которые в противном случае потребовались бы, освобождая пространство на плате и упрощая прошивку.

Сброс за пределы температуры и времени

Помимо абсолютного смещения при комнатной температуре, дрейф через температуру и время жизни часто является более сложной спецификацией. Традиционные биполярные оп-ампы могут проявлять дрейф 0,5 мкВ / ° C или более, накапливая значительную ошибку в промышленном температурном диапазоне, который охватывает от -40 ° C до +125 ° C. Дрифт 0,5 мкВ / ° C над качением 100° C производит сдвиг 50 мкВ - достаточно, чтобы признать недействительными многие измерения датчика. Топологии, стабилизированные с помощью вертолета, практически исключают дрейф вклада входной пары, потому что смещение модулируется и фильтруется, а не урезается. Остаточный дрейф доминирует паразитическими эффектами термопары в штифтах упаковки и может удерживаться до нескольких нановольт на градус Цельсия. Эта характеристика делает усилители вертолета идеальными для наружного приборостроения, автомобильных датчиков и бурового оборудования, где температура окружающей среды может колебаться дико и где перекалибровка непрактична.

Преимущество шума в производительности

Все полупроводниковые усилители страдают от мерцающего шума, обычно известного как 1/f шум, который растет в спектральной плотности по мере уменьшения частоты. В типичном прецизионном биполярном оп-ампе угол 1/f может находиться между 1 Гц и 100 Гц, что означает, что для сигналов ниже этого угла шум преобладает мерцанием, а не белым тепловым шумом. Это особенно проблематично в приложениях, которые измеряют DC или медленно меняющиеся сигналы, поскольку мощность шума увеличивается без связи на очень низких частотах. Стабилизированные усилители переносят 1/f шум основного усилителя на частоту резки, где он отфильтрован вместе с смещенной ряби. С точки зрения DC усилитель представляет плоскую спектральную плотность шума до, возможно, 0,01 Гц или ниже, ограниченную только остаточными артефактами процесса резки.

Эта характеристика шума с плоской полосой пропускания делает усилители с нулевым смещением по умолчанию выбором для усилителей блокировки, прецизионных интеграторов и регистраторов научных данных, которые должны разрешать изменения нановольт в течение часов измерения. Например, LTC2057 с коэффициентом усиления 100 обеспечивает пиковый шум от 0,1 Гц до 10 Гц всего 200 нВ, что трудно достичь с любой архитектурой усилителя без отсека. Для сравнения, стандартный биполярный оп-ампер с низким уровнем шума, такой как OP07, может производить несколько микровольт пикового шума в той же полосе пропускания, несмотря на его отличные характеристики постоянного тока. Разница является резкой и непосредственно влияет на достижимое разрешение в системах весовой шкалы, термопары и калибра деформации.

Управление остаточной Ripple

Отбивка не совсем бесшумная. Высокочастотная прямоугольная форма волны при скорости отбивания создает небольшое рябь на выходе, обычно при частоте отбивания и его третьей гармонике. Во многих приложениях простая постфильтрация или собственная внутренняя фильтрация усилителя уменьшает рябь до диапазона микровольт, значительно ниже уровня шума. Для наиболее чувствительных схем внешний R-C фильтр, размещенный после того, как усилитель ослабляет остаток до незначительных уровней. Некоторые из новейших стабилизированных устройств отбивного, таких как MAX44250 , включают модуляцию с расширенным спектром, которая мазает энергию частоты отбивания по более широкой полосе, тем самым уменьшая амплитуды тона и упрощая постфильтрацию. Дизайнеры, которые сталкиваются с проблемами, связанными с рябью, также могут выбирать части с более высокой частотой отбивания, что облегчает фильтрацию с более низкой сетью порядка.

Ключевые домены приложений для стабилизированных усилителей Chopper

Медицинское оборудование и приобретение биосигналов

Электрокардиограмма (ЭКГ), электроэнцефалограмма (ЭЭГ) и электромиограмма (ЭМГ) захватывают биопотенциалы в присутствии больших возмущений общего режима и напряжения смещения электродов. Сами электроды могут генерировать до 300 мВ постоянного тока смещения из-за потенциалов полусотни. Традиционный усилитель приборов с коэффициентом усиления 100 будет насыщаться при таком смещении, если вход не соединен переменным током. Однако стабилизированные передние концы вертолета могут обрабатывать большое дифференциальное смещение, сохраняя точность постоянного тока для крошечного сигнала переменного тока, движущегося сверху. Это позволяет путь сигнала с соединением постоянного тока, который добросовестно воспроизводит очень низкочастотные компоненты ЭКГ - такие как сегмент ST - без искажения фазы, введенного конденсаторами соединения переменного тока.

ИС, разработанные специально для приобретения биопотенциалов, такие как семейство Texas Instruments ADS1298, интегрируют стабилизированные на вертолете программируемые усилители усиления (PGA) для преодоления смещения электродов без конденсаторов сцепления переменного тока, снижая стоимость и площадь ПХБ. Результатом является компактный многослойный монитор ЭКГ, который соответствует клиническим стандартам точности в течение длительных сеансов записи. Кроме того, нижний уровень шума стабилизированных на вертолете усилителей позволяет обнаруживать небольшие вызванные потенциалы, такие как используемые в электроретинографии или тестировании на слуховой ответ ствола мозга, где сигналы могут быть всего несколько сотен нановольт.

Промышленное кондиционирование датчиков и управление процессами

Промышленные среды представляют множество сигналов низкого уровня: термопары (десятки микровольт на градус Цельсия), RTD, возбуждаемые небольшими токами, нагрузочные ячейки с полноразмерными выходами милливольта и мосты датчиков давления с аналогичными уровнями. В каждом случае выход датчика должен быть усилен коэффициентом от 100 до 1000 перед аналого-цифровым преобразованием, что делает входной сигнал усилителя смещенным прямым источником ошибок. Стабилизированный усилитель с смещением 1 мкВ способствует ошибке, эквивалентной всего 0,1% от полного выхода моста 1 мВ - незначительное количество в большинстве 12-16-битных систем. Для более высокого разрешения 24-битные ADC дельта-сигма смещения и дрейфа усилителя должны быть на порядок ниже, что именно там, где превосходят стабилизированные усилители вертолета.

Системы управления технологическим процессом часто используют 4-20 мА токовые петли, где прецизионный шунтирующий резистор преобразует ток петли в напряжение. Падение через шунт 100 Ом при 4 мА составляет всего 0,4 В; разрешение 0,1% пролета требует, чтобы усилитель точно обрабатывал 400 мкВ шагов с минимальным дрейфом смещения. Оп-ампы, стабилизированные на вертолете, такие как AD8638 , обычно проектируются в эти петлевые приемники, потому что их смещенный дрейф менее 0,02 мкВ/°С обеспечивает стабильную нулевую производительность на заводском полу, которая может варьироваться от 0°С до 70°С. Кроме того, высокая DC PSRR стабилизированных на вертолете усилителей помогает отклонять шум от изменений питания, распространенных в промышленных средах, сохраняя целостность измерения, полученного из петли.

Научное оборудование и метрология

Ультранизкая способность смещения становится необходимостью в метрологических приборах: нановольтметрах, пикоамметрах и источниках точного постоянного тока. Нановольтметр Keithley 2182A, например, использует стабилизированную на вертолете стадию ввода для достижения шумоподавления ниже 15 нВ p-p для низких сопротивлений источника. В то время как такие инструменты построены с дискретными парами FET и тщательным экранированием, принцип стабилизации вертолета тот же: модулируйте сигнал, усиливайте, демодулируйте и фильтруйте. Метод настолько фундаментальный, что многие лаборатории стандартов метрологии все еще строят пользовательские усилители вертолета с использованием аналоговых переключателей с низким утечкой и высокопроизводительных операционных усилителей для достижения смещенной стабильности в диапазоне суб-10 нВ в течение недель измерения.

Электрохимические датчики и зонды pH

Пробки pH, ионно-селективные электроды и газовые датчики часто демонстрируют импедансы источника в сотнях мегахм и генерируют дифференциальные сигналы в субмилливольтной области. Ток входного смещения усилителя становится значительным источником ошибок, потому что даже несколько пикомперов тока смещения, протекающего через датчик 100 MΩ, будут падать на сотни микровольт. Современные стабилизированные CMOS оп-амперы обычно определяют токи смещения ввода ниже 200 pA, что делает их подходящими для таких источников высокого давления. LMC6001, классический ультра-низко-биасный оп-ампер, не использует стабилизацию вертолета, но более новые части, такие как ADA4530-1 , сочетают измельчение с фемтоамперными токами смещения, позволяя прямое взаимодействие с фотодиодами и датчиками pH без защитной буферизованной стадии ввода. Для электрохимических измерений, которые требуют как высокого входного импеданса, так и точности постоянного то

Дизайнерские соображения при использовании оп-амперов, стабилизированных с помощью Chopper

Интеграция усилителей с нулевым дрейфом в схему требует внимания к нескольким особенностям, которые отличаются от обычных операционных усилителей.Понимание этих нюансов помогает дизайнеру избежать тонких ошибок и достичь полного потенциала производительности устройства.

Зарядка инъекций и входных токов

Переключатели CMOS, которые выполняют перерезание впрыскиваемых небольших пакетов заряда в путь сигнала с каждым переходом. Когда импеданс источника низкий, эти пики заряда поглощаются без значительного эффекта. Однако при сопротивлениях источника выше нескольких десятков киломов впрыскиваемый заряд может производить шаг напряжения, который искажает входной сигнал. Производители обычно характеризуют это как входной ток смещения, который включает в себя как компонент постоянного тока, так и переходный компонент переключения. Более новое поколение усилителей вертолета использует схему компенсации заряда для уменьшения эффективных пиков тока; например, OpA188, что позволяет использовать токовые переходы менее чем с 100 pA, что позволяет использовать его с источниками 100 кОм без значительной ошибки. Для более высоких импедансов источника можно использовать буферную стадию или топологию с двойным усилителем, чтобы защитить чувствительный вход от впрыска заряда. Кроме того, тщательная компоновка ПХБ с короткими, низкоиндуктивными следами от источника до входа усилителя минимизирует эффект в

Чоппинг частоты и отчуждение

Внутренняя тактовая частота (fCHOP) может смешиваться с входными сигналами вблизи этой частоты, создавая продукты обратной связи. В большинстве приложений полоса входного сигнала значительно ниже fCHOP, поэтому это не проблема. Но если усилитель помещается перед ADC, который пробует на частоте вблизи или выше fCHOP, внеполосная рябь может быть передана в полосу преобразования. Дизайнеры обычно вставляют простой однополюсный RC-фильтр между усилителем и ADC, чтобы ослабить рябь вертолета до того, как она достигнет сети отбора проб. Угловая частота fCHOP/10 является общей отправной точкой. Кроме того, некоторые современные ADC, стабилизированные вертолетом, интегрируют фильтр на чипе, что еще больше упрощает конструкцию. Также разумно проверять таблицу данных ADC для любых конкретных требований к сглаживающему фильтру при использовании стабилизированного передней части вертолета.

Отказ от электроснабжения и EMI

Усилители, стабилизированные на вертолете, демонстрируют отличное отношение отбрасывания мощности постоянного тока (PSRR), часто превышающее 130 дБ на низких частотах, поскольку схема модуляции по своей сути отбрасывает возмущения, связанные с подачей. Однако на высоких частотах PSRR отпадает, как и при любом оп-ампе. Кроме того, внутренний осциллятор может соединяться с рельсами питания, поэтому керамический конденсатор 0,1 мкФ, расположенный непосредственно через штифты питания, является обязательным. В средах с сильными электромагнитными помехами удерживайте усилитель и его сеть обратной связи от переключения узлов питания и рассмотрите возможность использования наземной плоскости для защиты неинвертирующего входного следа. Маленькая ферритовая шарика в серии с линией питания также может помочь подавить высокочастотный шум, который в противном случае мог бы быть исправлен входными диодами ESD. Для конструкций с питанием от батареи дополнительная емкость на рельсах питания помогает поддерживать высокую PSRR усилителя в полном диапазоне частот.

Торговые компромиссы и ограничения

В то время как стабилизированные усилители вертолета предлагают непревзойденную точность постоянного тока и шумопроизводительность на низких частотах, они не являются универсальной заменой обычным оп-амперам. Их продукт с полосой усиления обычно находится в диапазоне низких мегагерц - достаточный для кондиционирования датчиков, но недостаточный для высокоскоростных аналого-цифровых приложений драйвера или видеоусиления. Процесс резки также вводит небольшое искажение интермодуляции, когда присутствуют несколько сигналов переменного тока, что может быть проблематичным в аудио или вибрационном анализе, где требуется очень низкое общее гармоническое искажение. Для этих приложений двухпутный композитный усилитель, который сочетает в себе биполярный оп-ампер с нулевым интегратором в петле обратной связи, может дать лучшее из обоих миров: точность постоянного тока от вертолета и низкое искажение от быстрого усилителя.

Плотность тока шума является еще одним фактором. Поскольку стабилизированные усилители ЧМОП используют стадии ввода CMOS, их входной ток шума доминирует выстрел шум и может быть выше, чем у биполярного оп-ампера. Для источников с очень высоким сопротивлением ток шума может стать доминирующим шумом, даже превышающим напряжение шума. Обзор текущего шумового графика таблицы данных по частоте имеет важное значение при проектировании с импедансами источника выше 1 MΩ. В таких случаях JFET-входной оп-ампер с более низким шумом тока может быть лучшим выбором, хотя JFET-усилители обычно имеют более высокий шум напряжения и смещения дрейфа. Выбор правильного усилителя всегда включает балансирование этих компромиссов против конкретных требований приложения. Например, термопарный усилитель с импедансом источника 100 Ω выиграет от стабилизированного усилителя вертолета, в то время как зонд pH с импедансом 100 MΩ может потребовать усилителя с током смещения фемтоампа, даже если смещение немного выше.

Выбор правильного стабилизированного Op-Amp

С десятками усилителей с нулевым смещением на рынке выбор оптимальной части начинается с четкого определения импеданса источника сигнала, пропускной способности, напряжения питания и требуемой точности. В приведенном ниже списке приведены несколько популярных вариантов в различных вариантах использования.

  • Низковольтные датчики с батарейным питанием: OPA333 (1,8-5,5 В, 10 мкВ смещение, 0,05 мкВ/°С дрейф) представляет собой небольшой пакет, выбор микромощности идеально подходит для портативных приборов.
  • Высокоточный промышленный: ADA4528-1 предлагает смещение 2,5 мкВ и дрейф 0,015 мкВ/°С с переездом от рельса к рельсу I/O, что делает его подходящим для передних концов с высокой прибылью.
  • Ультранизкий шум при 0,1-10 Гц: LTC2057 достигает 200 нВ р-р шума и смещения дрейфа 0,025 мкВ/°С, отлично подходит для научных применений.
  • Высоковольтные датчики передней части: AD8638 работают с запасами до 16 В, совместимы с более старыми ±15 В промышленными рельсами и обеспечивают низкий дрейф.
  • Ток смещения фемтоампа: ADA4530-1 с предвзятостью 20 fA max и стабилизированной точностью для фотодиодов и pH приложений.

Каждое из этих устройств включает в себя обширное руководство по применению в своей таблице данных, охватывающее рекомендуемые обходные, макетные методы и схемы постфильтра для управления пульсацией вертолета. Всегда разумно моделировать схему с выбранной моделью усилителя SPICE, чтобы убедиться, что пульсация и шум соответствуют системным целям, прежде чем выполнять макет. Для многих дизайнеров простота использования усилителя с нулевым смещением приводит к более быстрому времени выхода на рынок и меньшему количеству итераций прототипа.

Будущие тенденции в чоппер-стабилизированном дизайне

По мере продвижения узлов процесса CMOS, впрыск заряда переключателя, сопротивление и паразитная емкость все сокращаются, позволяя стабилизированным усилителям вертолета с более высокими частотами резки, более низкой остаточной ряби и более широкой полосой пропускания. В то же время появляются новые топологии, такие как автоматическое сжатие пинг-понга плюс гибриды среза. Они периодически объединяют авто-нулевую петлю для снятия смещения усилителя с помощью непрерывно-временного вертолета для подавления мерцающего шума, подталкивая точность постоянного тока и производительность шума к уровням, ранее доступным только в дискретных схемах лабораторного класса. Результатом является новое поколение усилителей, которые предлагают почти идеальные характеристики постоянного тока с более широкими полосами пропускания сигнала, подходящими для таких приложений, как получение данных высокого разрешения и точное управление двигателем.

Параллельно интеграция усилителей с нулевым расходом в полные аналоговые передние части — включая программируемый коэффициент усиления, мультиплексоры и эталонные буферы — продолжает ускоряться. Современный масштабный AFE, такой как ADS1232 , встраивает PGA вертолета и 24-битный ADC на один кристалл, сокращая время разработки и обеспечивая такую производительность, которая ранее требовала платы, полной точных компонентов. Эта тенденция к монолитной интеграции еще больше укрепит роль стабилизированных усилителей вертолета в каждой системе измерения, где имеют значение микровольты. Поскольку Интернет вещей (IoT) стимулирует спрос на небольшие, маломощные, высокоточные датчики, стабилизированные усилители вертолета будут оставаться критическим строительным блоком, позволяя точные измерения, которые лежат в основе умных заводов, носимых мониторов здоровья и сетей зондирования окружающей среды.

Заключение

Оперативные усилители, стабилизированные на вертолете, изменили ландшафт точного аналогового дизайна, решив фундаментальные проблемы смещения постоянного тока и низкочастотного шума в единой элегантной архитектуре. Их способность удерживать смещенные напряжения и дрейфовать до уровней нановольт в широких температурных диапазонах делает их незаменимыми для медицинских инструментов, промышленных датчиков, регистраторов научных данных и любого приложения, где наименьший сигнал должен быть извлечен из шумной, непредсказуемой среды. Хотя они требуют нескольких соображений компоновки и фильтрации, усилия по проектированию более чем погашаются с надежной, без калибровки точностью. По мере развития технологий эти усилители с нулевым дрейфом будут обеспечивать еще более низкий шум, уменьшенную рябь и более тесную интеграцию, укрепляя их статус стандартного строительного блока для сверхнизкозагрузочного кондиционирования сигнала. Для инженеров, стремящихся раздвинуть границы разрешения измерений, четкий путь вперед через стратегическое использование стабилизированных усилителей вертолета.