Wzmacniacze operacyjne o zerowym dryfcie. Właściwości i zastosowania

82 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 5/2010 Notatnik konstruktora Wzmacniacze o  zerowym dryfcie (zero- drift) mają więc bardzo korzystne właściwości, gdyż dryft temperaturowy i szum 1/f są głów- nymi utrapieniami projektantów, ponieważ nie są łatwe do wyeliminowania przy użyciu prostych metod. Ponadto, wzmacniacze o zero- wym dryfcie mają zazwyczaj większe wzmoc- nienie w konfiguracji otwartej pętli sprzężenia zwrotnego, większe tłumienie szumów i tętnień napięcia zasilania oraz sygnału wspólnego niż wzmacniacze standardowe. Ich sumaryczny błąd wyjściowy jest więc mniejszy niż występu- jący przy użyciu standardowych wzmacniaczy precyzyjnych w tej samej konfiguracji. Wzmacniacze o zerowym dryfcie są prze- widziane do stosowania w  urządzeniach, których spodziewany czas użytkowania jest dłuższy niż 10 lat, a w torach sygnałowych są niezbędne duże wzmocnienia (>100) lub praca w konfiguracji otwartej pętli, ponadto z sygnała- mi o małej częstotliwości (<100 Hz) i niewiel- kiej amplitudzie. Do przykładowych aplikacji można zaliczyć precyzyjne wagi, aparaturę me- dyczną, precyzyjne przyrządy pomiarowe oraz przedwzmacniacze czy układy kondycjonujące sygnałów z czujników podczerwieni, mostków pomiarowych i czujników termoelektrycznych. Działanie wzmacniacza samozerującego się We wzmacniaczach samozerujących się, ta- kich jak AD5838, AD8638, AD8551 i AD8571, następuje korekcja wejściowego napięcia off- setu zazwyczaj w dwóch cyklach zegarowych. W czasie cyklu zegarowego A klucze oznaczone literą A są zamknięte, a klucze B są otwarte (rys. 1). Napięcie offsetu wzmacniacza zerującego jest utrzymywane na kondensatorze CM1 . Nato- miast w czasie cyklu zegarowego B klucze ozna- czone literą B są zamknięte, a oznaczone literą A otwarte (rys. 2). Napięcie offsetu wzmacnia- cza głównego jest utrzymywane na kondensato- rze CM2 w czasie, gdy napięcie z kondensatora CM1 dostosowuje się do napięcia offsetu wzmac- niacza zerującego. Sumaryczne napięcie offsetu jest następnie podawane na główny wzmac- niacz w trakcie przetwarzania sygnału wejścio- wego. Funkcja próbkująco-pamiętająca we wzmacniaczu samozerującym zmienia go w układ próbkujący, czyniąc podatnym na efek- ty aliasingu i przenoszenia się szumów do pa- sma podstawowego. Przy małych częstotliwo- ściach szum zmienia się wolno, więc odejmo- wanie dwóch kolejnych próbek napięcia szumu umożliwia jego eliminowanie. Natomiast, przy większych częstotliwościach skutecz- ność takiej eliminacji maleje, a  błędy odejmowania powodują, że składowe szerokopasmowe szumów przenoszą się do pasma podstawowego. Tym samym wzmacniacze samozerujące mają więcej szumów wewnątrz pasma niż standardo- we. W celu zmniejszenia szumów nisko- częstotliwościowych należy zwiększyć częstotliwość próbkowania, co jednak wprowadza efekt wstrzyknięcia dodatko- wego ładunku do kondensatora pamięta- jącego. Ścieżka sygnałowa zawiera jedy- nie główny wzmacniacz, a więc można uzyskać stosunkowo szerokie pasmo wzmocnieniu jednostkowym. Działanie wzmacniacza z przetwarzaniem Na rys. 3 przedstawiono schemat blokowy wzmacniacza prądu stałego z przetwarzaniem ADA4051, który ma lokalną pętlę autokorekcji sprzężenia zwrotnego (ACFB ? Autocorrection Feedback Loop). W  głównej ścieżce sygna- łowej jest wejściowy obwód przerywający (klucz - CHOP1), wzmacniacz transkonduk- tancji Gm1, wyjściowy klucz przerywający CHOP2 oraz wzmacniacz transkonduktancji Gm2. CHOP1 i  CHOP2 przekształcają (mo- dulują impulsowo) początkowe napięcie offsetu oraz szum 1/f ze wzmacniacza Gm1 z  określoną częstotliwością kluczowania. Wzmacniacz transkonduktancji Gm3 odbie- ra zmodulowane zniekształcenia na wyjściu obwodu CHOP2. Klucz CHOP3 demodu- luje te zniekształcenia do napięcia stałego. Wszystkie obwody kluczujące są przełącza- ne z  częstotliwością 40  kHz. W  ostatniej fazie wzmacniacz transkonduktancji Gm4 usuwa składową stałą na wyjściu wzmac- niacza Gm1, która w przeciwnym przypadku powodowałaby tętnienia na wyjściu całego wzmacniacza. Filtr z  przełączaną pojemno- ścią SCNF (Switched Capacitor Notch Filter) selektywnie tłumi niepożądane tętnienia związane z napięciem offsetu, bez usuwania pożądanego sygnału wejściowego z  sygna- łu wyjściowego. Jest on zsynchronizowany z częstotliwością pracy obwodu kluczujące- Wzmacniacze operacyjne o zerowym dryfcie Właściwości i zastosowania Wzmacniacze o  zerowym dryfcie temperaturowym i  czasowym, dynamicznie korygują napięcie offsetu oraz zmieniają kształt rozkładu gęstości mocy szumów. Powszechnie stosowane są dwie rodziny takich wzmacniaczy tj. samozerujace się (auto-zero) oraz z  przetwarzaniem (choppers). Charakteryzują się one bardzo małym napięciem niezrównoważenia (rzędu nV) oraz niezwykle małym dryftem temperaturowym i  czasowym. Szum 1/f wzmacniacza również jest traktowany jako błąd DC i  jest eliminowany. Rys. 1. Cykl pracy A wzmacniacza auto-zero: faza zerowania wzmacniacza zerującego Rys. 2. Cykl pracy B wzmacniacza auto-zero: faza auto-zero wzmacniacza głównego 83ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 5/2010 Wzmacniacze operacyjne o zerowym dryfcie Dodatkowe informacje: Artykuł udostępniony przez Farnell we współpracy z  Analog Devices go w celu dokładnego odfiltrowania składo- wych zmodulowanych. Dokładnie taki efekt został uzyskany w no- wej serii wzmacniaczy firmy Analog Devices. We wzmacniaczach o zerowym dryfcie AD8628 (rys. 4) zastosowano obie opisywane techniki aby zredukować napięcie w pobliżu częstotli- wości kluczowania, jednocześnie utrzymując szum na niskim poziomie przy mniejszych częstotliwościach. Umożliwia to uzyskanie szerszego pasma niż to było możliwe w trady- cyjnych wzmacniaczach o zerowym dryfcie. Problemy występujące przy korzystaniu ze wzmacniaczy o zerowym dryfcie Wzmacniacze o  zerowym dryfcie są wzmacniaczami złożonym, w których występu- je cyfrowy blok dynamicznej korekcji napięcia offsetu. Efekty wstrzykiwania ładunku, skro- śnego przenikania sygnału zegarowego (clock feedthrough), zniekształcenia intermodulacyjne oraz zwiększony czas powrotu ze stanu przecią- żenia, spowodowane cyfrowym przełączaniem, mogą nastręczać problemy w źle zaprojektowa- nych obwodach analogowych. Wielkość skro- śnego przenikania sygnału zegarowego zwięk- sza się wraz ze zwiększeniem wzmocnienia zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego lub ze zwiększeniem rezystancji źródła. Dodanie filtru na wyjściu lub stosowanie małej rezystancji na wejściu nieodwracającym zmniejsza ten efekt. Ponadto, tętnienia wyjściowe wzmacniacza o zerowym dryfcie zwiększają się wraz ze zbli- żaniem się częstotliwości sygnału wejściowego do częstotliwości kluczowania. Sygnały o  częstotliwości większej niż częstotliwość samozerowania mogą być wzmacniane. Prędkość pracy wzmacniacza samozerującego jest zależna od pola wzmoc- nienia. Zależy ono od parametrów wzmac- niacza głównego a nie od wzmacniacza ze- rującego. Częstotliwość samozerowania jest tą, powyżej której zniekształcenia związane z przełączaniem zaczną się ujawniać. Różnice między wzmacniaczami z przetwarzaniem a samozerującymi się We wzmacniaczach samozerujących się jest stosowane próbkowanie do zmniejsze- nia offsetu, podczas gdy we wzmacniaczach z  przerywaniem jest stosowana modulacja i demodulacja. Próbkowanie sprawia, że szum przenosi się do pasma podstawowego, a więc wzmacniacze samozerujące się mają większy szum w paśmie roboczym. Aby go wytłumić podaje się prąd o  większym natężeniu, więc w  układach jest tracona większa energia. Wzmacniacze z  przetwarzaniem mają szum niskoczęstotliwościowy o płaskiej częstotliwo- ściowej charakterystyce gęstości mocy, jednak ze zwiększoną mocą w pobliżu częstotliwości kluczowania i  jej harmonicznych. Może być więc potrzebne stosowanie filtrów wyjścio- wych. Dlatego też wzmacniacze te są najod- powiedniejsze w aplikacjach z sygnałem o ni- skich częstotliwościach. Wzmacniacze z  przetwarzaniem do- brze sprawdzają się w  aplikacjach o  małej mocy i  pracujących z  małą częstotliwością (<100 Hz), podczas gdy wzmacniacze samoze- rujące są lepsze w aplikacjach szerokopasmo- wych. Wzmacniacze AD8628, które łączą tech- nologie samozerowania i  przetwarzania, są przeznaczone do aplikacji, w których wyma- gany jest niski poziom szumów, brak krótkich przepięć oraz szerokie pasmo. W tab. 1 zesta- wiono porównanie technologii wzmacniaczy. Reza Moghimi Analog Devices Rys. 3. Schemat obwodów kluczujących w układzie ADA4051 Rys. 4. Wzmacniacz AD8628 łączący techniki samozerowania i kluczowania w celu poszerzenia pasma Tab. 1. Porównanie technologii wzmacniaczy Typ Samozerujący się Z  przetwarzaniem Z  przetwarzaniem i  samozerowaniem Napięcie offsetu Bardzo małe Bardzo małe Bardzo małe Zasada działania Próbkowanie i  pamię- tanie Modulacja-demodulacja Próbkowanie i  pamię- tanie/modulacja-demo- dulacja Charakterystyka szu- mowa Wyższy poziom szumu dla niskich częstotliwo- ści wskutek aliasingu Podobna charakterysty- ka szumowa do szumu o  charakterystyce płaskiej (białego), brak aliasingu Złożony rozkład szumu zwiększony powyżej częstotliwości kluczo- wania Zapotrzebowanie na moc Większe Mniejsze Większe Pasmo Szerokie Wąskie Najszersze Tętnienia Najmniejsze Większe Mniejsze niż we wzmacniaczach z  prze- twarzaniem Rozkład energii Niewielka energia wokół częstotliwości samozerowania Dużo energii wokół częstotliwości kluczo- wania Niewielka energia wokół częstotliwości samozerowania