Hur man uppnår både likströmsprecision och stor bandbredd med hjälp av förstärkare med nollpunktsförskjutning.

Det finns många sensorsignaler i den verkliga världen, särskilt sådana som är relaterade till naturfenomen, och endast uppvisar mycket långsamma och små förändringar över tid. Ändå är det dessa subtila förändringar som är viktiga för att utveckla insikt och en förståelse för situationen. Bland de många exemplen kan nämnas töjningsgivare som övervakar bro- eller byggnadsrörelser, undervattensomvandlare för strömflöde, temperaturrelaterade fenomen, accelerometrar som känner av rörelser i samband med jordbävningar och förskjutningar av kontinentalplattorna, utdata från olika optiska sensorer och nästan alla biopotentialsignaler.

Det har alltid varit en utmaning att fånga signaler med mycket låg nivå på både ett effektivt och exakt sätt. De förstörs lätt av brus, så det är viktigt att förstärka dem för att uppnå den nödvändiga amplituden och bibehålla signal-brusförhållandet (SNR). Dessa signalers låga frekvens, ofta i ensiffriga eller tiotals hertz (Hz) och som allmänt kallas "likströms-signaler", ökar utmaningen ytterligare.

Varje inledande likströmsförskjutning i förstärkarens parametrar, t.ex. biasström eller spänningsoffset, och inbyggd 1/f-brus (rosa), liksom efterföljande oundvikliga prestandaförskjutningar på grund av temperaturinducerad avvikelse, variationer i matningen eller komponentåldrande, försämrar signalkedjans prestanda.

Traditionellt sett har det som kallas förstärkare med "nollpunktsförskjutning” endast varit möjligt för tillämpningar med lägre bandbredd, eftersom tekniker för dynamisk felreducering ger upphov till alltför stora artefakter vid högre frekvenser. Detta är dock en mycket snäv begränsning, eftersom dessa likströmsliknande signaler kan ha plötsliga skurar av betydligt högre frekvenser, större bandbreddsaktivitet, som t.ex. när en konstruktion plötsligt brister eller en jordbävning inträffar.

Därför är det mycket önskvärt med en front-end förstärkare som har mycket låg avvikelse för likströmsliknande signaler, med bra prestanda vid högre frekvenser. Dessbättre har förbättringar inom topologi och konstruktion gjort det möjligt att utveckla kretsförstärkare med nollpunktsförskjutning för att arbeta från likström till högre frekvenser som i princip eliminerar offset, parameteravvikelse och 1/f-brus.

I den här artikeln används komponenter från Analog Devices (ADI) för att illustrera specifika egenskaper hos förstärkare med nollpunktsförskjutning, deras parametrar och problem. Den kommer därefter titta på hur funktionerna för förstärkare med nollpunktsförskjutning förverkligas samt på tekniker för att förbättra förstärkarens och den tillhörande signalkedjans prestanda.

Hantering av förskjutning som inte är noll

En förskjutning är en avvikelse från basprestanda och beror främst, men inte helt, på olika termiska effekter i sensorn och i AFE-kretsen (analog front-end). Den traditionella lösningen för att uppnå en förskjutning nära noll är att använda en chopper-stabiliserad förstärkare som modulerar den lågfrekventa signalen (ofta kallad likströmssignal) till en högre frekvens som är lättare att styra och filtrera; efterföljande demodulering i utgångssteget av förstärkaren återställer den ursprungliga signalen, men i förstärkt form. Tekniken fungerar och har använts med framgång i många år.

Observera att "likströmssignal" är en något felaktig benämning och att "nästan likström" skulle vara mer korrekt. Om signalen verkligen var likström och således hade ett konstant värde skulle den inte ha några informationsbärande variationer - i stället är det de långsamma variationerna som är av intresse. Den vanligaste terminologin är dock att använda termen "likströmssignal".

Ett alternativ metod till chopper-baserad stabilisering är "automatisk nollställning". Tekniken använder dynamisk justering för att uppnå liknande resultat, men med en något annorlunda uppsättning kompromisser när det gäller prestanda. Förstärkare med nollpunktsförskjutning som arbetssätt kan använda chopping, automatisk nollställning eller en kombination av båda teknikerna för att ta bort oönskade lågfrekventa felkällor. Återigen finns det en mindre terminologifråga: termen "nollpunktsförskjutning" är något missvisande; även om dessa förstärkare har extremt låg, förskjutning väldigt nära noll, är de inte perfekta - trots det är imponerande nära. Respektive teknik har sina för- och nackdelar och används i olika tillämpningar:

• Chopping använder signalmodulering och demodulering och har lägre basbandsbrus, men ger även upphov till brusartefakter vid chopping-frekvensen och dess övertoner.
• Alternativt använder automatisk nollställning en samplings- och hållkrets och är lämplig för tillämpningar med bredare band, men har mer spänningsbrus inom bandet på grund av att bruset "viker tillbaka" till basbandsdelen av spektrumet.
• Avancerade kretsförstärkare med nollpunktsförskjutning kombinerar båda teknikerna för att erbjuda det bästa av båda världar. De hanterar brusets spektraltäthet (NSD) för att ge lägre basbandsbrus och samtidigt minimera högfrekventa fel som rippel, spänningsfall och intermodulationsförvrängning (IMD) (figur 1).

Figur 1: Varje typ av analog förstärkare har en unik typisk brusspektraltäthet (NSD); förstärkaren med nollpunktsförskjutning accepterar brusspektraltäthetens prestanda för de automatiskt nollställda och chopper-stabiliserande metoderna för att ge ett mer godtagbart scenario. (Bildkälla: Analog Devices)

Det börjar med chopping

Den chopper-stabiliserade förstärkaren (även kallad chopper-förstärkare eller bara "chopper") använder en chopping-krets för att bryta upp (chop) ingångssignalen så att den kan bearbetas som om den vore en modulerad växelströmssignal. Den demodulerar sedan signalen tillbaka till en likströmssignal på utgången för att återfå den ursprungliga signalen.

På detta sätt kan extremt små likströmsignaler förstärkas samtidigt som effekterna av oönskade avvikelser minimeras till nästan noll. Chopping-moduleringen separerar förskjutet och lågfrekvent brus från signalinnehållet genom att modulera felen till högre frekvenser, där de är mycket lättare att minimera eller ta bort genom filtrering.

Chopping-arbetets detaljer är lätta att förstå inom tidsdomänen (figur 2). Insignalen (a) moduleras av chopping-signalen (b) till en fyrkantsvåg. Signalen demoduleras (c) på utgången (d) tillbaka till likström. De inbyggda lågfrekventa felen (röd vågform) i förstärkaren moduleras (c) på utgången till en fyrkantsvåg som sedan (d) filtreras av ett lågpassfilter (LPF).

Figur 2: Tidsdomänens vågformer för insignalen V_IN (blå) och fel (röd) vid (a) ingången, (b) V1, (c) V2 och (d) V_OUT för den grundläggande chopping-tekniken. (Bildkälla: Analog Devices)

Analyser av frekvensdomänen är också informativa (figur 3). Insignalen (a) moduleras till chopping-frekvensen (b), bearbetas av förstärkningssteget vid f_CHOP, demoduleras på utgången tillbaka till likström (c) och passerar slutligen genom lågpassfiltret (d). Förstärkarens offset- och bruskällor (röd signal) bearbetas vid likström genom förstärkningssteget, moduleras till f_CHOP av utgångens chop-omkopplare (c) och filtreras slutligen av lågpassfiltret (d). Eftersom modulation med fyrkantsvåg används, sker moduleringen runt udda multiplar av moduleringsfrekvensen.

Figur 3: Frekvensomfångets spektrum för signalen (blå) och felen (röd) vid (a) ingången, (b) V1, (c) V2 och (d) V_OUT är också ett viktigt perspektiv. (Bildkälla: Analog Devices)

Naturligtvis är ingen konstruktion perfekt. Figurerna för tidsdomän och frekvensomfång visar båda att det kommer att finnas vissa kvarvarande fel på grund av det modulerade bruset och förskjutningen eftersom lågpassfiltret inte är en perfekt "tegelmur”.

Gå vidare till automatisk nollställning

Automatisk nollställning är en dynamisk korrigeringsteknik som fungerar genom att sampla och subtrahera lågfrekventa felkällor i en förstärkare. En enkel förstärkare med automatisk nollställning består av en förstärkare med dess oundvikliga offset och brus, omkopplare för att konfigurera om in- och utgången samt en automatiskt nollställande samplingskondensator (figur 4).

Figur 4: Den grundläggande konfigurationen av förstärkare med automatisk nollställning visar de omkopplare som används för att konfigurera om signalvägen och på så sätt fånga upp förstärkarens inbyggda fel i en kondensator. (Bildkälla: Analog Devices)

Under den automatiska nollställningsfasen, ϕ₁, är kretsens ingång kortsluten till en gemensam spänning och kondensatorn med automatisk nollställning samplar ingångens offsetspänning och brus. Det är viktigt att notera att förstärkaren ”inte är tillgänglig" för signalförstärkning under denna fas eftersom den är upptagen med en annan uppgift. Följaktligen, för att en förstärkare med automatisk nollställning ska kunna arbeta kontinuerligt måste två identiska kanaler slås samman i vad som kallas automatisk "ping-pong"-nollställning.

Under förstärkningsfasen, ϕ₂, kopplas ingången tillbaka till signalvägen och förstärkaren är återigen tillgänglig för att förstärka signalen. Det lågfrekventa bruset, förskjutningen och avvikelsen elimineras genom automatisk nollställning. Det återstående felet är skillnaden mellan det aktuella värdet och det föregående samplingen av felen.

Eftersom lågfrekventa felkällor inte förändras mycket från ϕ₁ till ϕ₂ fungerar denna subtraktion bra. Det högfrekventa bruset utjämnas dock ner till basbandet och resulterar i ett ökat vitt brusgolv (figur 5).

Figur 5: Bruseffektens spektraltäthet formas av chopping-åtgärderna och åtgärderna för automatisk nollställning, vilket ses (från vänster till höger) före automatisk nollställning, efter automatisk nollställning, efter avbrott (chop), och efter avbrott (chop) och automatisk nollställning. (Bildkälla: Analog Devices)

Prestandan hos avancerade kretsförstärkare med automatisk nollställning är imponerande. De är vanligtvis bättre än till och med en "mycket bra" noggrann operationsförstärkare med i storleksordningen en till två när det gäller kritiska specifikationer för offset, avvikelse och brus. Så även om deras siffror givetvis inte är noll, är de mycket nära det.

ADA4528 är exempel på en enkanalig, matning- till matningsförstärkare (RTR) med nollpunktsförskjutning som har en maximal spänningsförskjutning på 2,5 μV, en maximal avvikelse i offsetspänningen på endast 0,015 μV/°C och en spänningsbrustäthet på 5,6 nV/√Hz (vid f = 1 kHz, förstärkning på +100) och 97 nV_topp-topp (då f = 0,1 Hz till 10 Hz, förstärkning av +100). ADA4522, en annan enkanalig matning- till matningsförstärkare med nollpunktsförskjutning, har en maximal offsetspänning på 5 μV, en maximal avvikelse i offsetspänningen på 22 nV/°C, en spänningsbrustäthet på 5,8 nV/√Hz (typiskt) och 117 nV_topp-topp från 0,1 Hz till 10 Hz (typiskt), tillsammans med en biasström på ingången på 50 pA (typiskt).

Artefakter kan försämra "perfektionen".

Även om chopping fungerar bra för att avlägsna oönskad förskjutning, avvikelse och 1/f-brus, ger det i sig oönskade växelströmsartefakter som t.ex. utgångsrippel och spänningsavbrott. Men, tack vare noggrann undersökning av varje artefakts underliggande orsak, följt av användning av avancerade eller sofistikerade topologier och processmetoder, har produkter med nollpunktsförskjutning från Analog Devices gjort omfattningen på dessa artefakter mycket mindre och placerat dem på högre frekvenser där de är lättare att filtrera bort på systemnivå. Dessa artefakter omfattar:

Rippel: En grundläggande konsekvens av modulationstekniken chopping som flyttar dessa lågfrekventa fel till udda övertoner av chopping-frekvensen. Förstärkarkonstruktörer använder många metoder för att minska effekterna av rippel, bland annat:

• Justering av offset i produktion: Den nominella förskjutningen kan minskas avsevärt genom att utföra en initial engångsjustering, men offsetavvikelsen och 1/f-bruset kvarstår.
• Kombinera chopping och automatisk nollställning: Förstärkaren är först automatiskt nollställd och sedan choppad för att modulera upp den ökade brusspektraltätheten (NSD) till en högre frekvens (vilket framgår av föregående figur som visar brusspektrumet efter avbrott (chop) och automatisk nollställning).
• Återkoppling av autokorrigering (ACFB): En lokal återkopplingsslinga kan användas för att känna av det modulerade ripplet på utgången och eliminera de lågfrekventa felen vid dess källa.

Spänningsavbrott: Spänningstransienter orsakade av felmatchade laddningsinjektioner från chopping-omkopplarna. Storleken på spänningsfallen beror på många faktorer, bland annat källimpedans och mängden felmatchad laddning.

Transienterna vid spänningsavbrott orsakar inte bara artefakter vid de jämna övertonerna av chopping-frekvensen, utan skapar även en återstående likströmsförskjutning som är proportionell mot chopping-frekvensen. Figur 6 (vänster) visar hur dessa transientet ser ut inuti chopping-omkopplarna vid V1 och efter chopping-omkopplarna på utgången vid V2. Ytterligare artefakter av spänningsavbrott vid jämna övertoner av chopping-frekvensen orsakas av en begränsad bandbredd i förstärkaren (figur 6, höger).

Figur 6: Avbrottsspänningen (vänster) från laddningsinjektionen vid V1 (inuti chopping-omkopplarna) och V2 (utanför chopping-omkopplarna); spänningsavbrott (höger) orsakat av begränsad bandbredd i förstärkaren vid V1 och V2. (Bildkälla: Analog Devices)

Precis som när det gäller rippel har förstärkarkonstruktörer utformat och tillämpat subtila men effektiva tekniker för att minska effekterna av spänningsavbrotten i förstärkare med nollpunktsförskjutning.

• Justering av laddningsinjektion: En justerbar laddning kan injiceras i ingångarna på en chopper-förstärkare för att kompensera för felmatchingar i laddningen, vilket minskar mängden inström på operationsförstärkarens ingångar.
• Flerkanals-chopping: Detta minskar inte bara spänningsavbrottets omfattning utan flyttar den också till en högre frekvens, vilket gör det lättare att filtrera. Den här tekniken leder till mer frekventa spänningsavbrott, men i mindre omfattning än om man bara gör avbrott vid en högre frekvens.

En tydlig demonstration av flerkanalig chopping visas i jämförelsen mellan en typisk förstärkare med nollpunktsförskjutning (A) och ADA4522, som använder den här tekniken för att avsevärt minska effekten av spänningsavbrott (Figur 7).

Figur 7: På grund av de mindre brusavbrotten, som är ett resultat av den modifierade chopping-tekniken, minskar ADA4522 spänningstopparna ner till brusgolvet. (Bildkälla: Analog Devices)

Från bara en förstärkare till systemprestanda

Effektiv tillämpning av bredbandiga förstärkare med nollpunktsförskjutning kräver noga övervägande av frågor både på systemnivå och för förstärkaren. Insikt i var de återstående frekvensartefakterna finns i frekvensspektrumet, och deras påverkan är kritiskt.

Chopping-frekvensen anges vanligtvis, men inte alltid, i databladet. Den kan även konstateras genom att titta på brusspektrumdiagrammet. I databladet för ADA4528 anges till exempel uttryckligen en chooping-frekvens på 200 kHz. Det kan också ses i dess brustäthetsdiagram (figur 8).

Figur 8: Den angivna specifikationen för chopping-frekvensen på 200 kHz i databladet för ADA4528 bekräftas av diagrammet för enhetens brustäthet. (Bildkälla: Analog Devices)

I databladet för ADA4522 anges att chopping-frekvensen är 4,8 MHz med en korrigeringsslinga för offset och rippel som arbetar vid 800 kHz. Diagrammet över brustätheten i figur 9 visar dessa brustoppar. Det finns även en brusförhöjning vid 6 MHz på grund av slingans minskade fasmarginal vid enhetlig förstärkning, men detta är inte unikt för förstärkare med nollpunktsförskjutning.

Figur 9: Diagram över brustätheten för ADA4522 visar inte bara chopping-frekvensen, utan även andra brustoppar som beror på olika källor. (Bildkälla: Analog Devices)

Konstruktörer bör komma ihåg att den frekvens som anges i databladet är ett generellt värde och kan variera från komponent till komponent. Därför bör man, i en systemkonstruktion som kräver två chopping-förstärkare för flera signalbehandlingskanaler, använda en dubbelförstärkare. Detta beror på att de två enskilda förstärkarna kan ha något olika chopping-frekvenser, som i sin tur kan interagera och orsaka ytterligare IMD.

Andra konstruktionsvillkor på systemnivå är bland annat:

• Matchande impedans mellan ingång och källa: Transienta strömavbrott interagerar med ingångskällans impedans för att orsaka differentiella spänningsfel, vilket resulterar i ytterligare artefakter vid multiplar av chopping-frekvensen. För att minimera denna potentiella felkälla bör varje ingång i en chopping-förstärkare vara konstruerad så att den har samma impedans.
• IMD och utjämningsartefakter: En insignal från en chopping-förstärkare kan blandas med chopping-frekvensen, f_CHOP, för att skapa IMD vid deras summa- och differensprodukter, och deras övertoner: f_IN ± f_CHOP, f_IN ± 2f_CHOP, 2f_IN ± f_CHOP och så vidare. Dessa IMD-produkter kan förekomma i det aktuella bandet, särskilt när f_IN närmar sig chopping-frekvensen. Genom att välja en förstärkare med nollpunktsförskjutning med en chopping-frekvens som är mycket större än bandbredden för insignalen minimeras dock detta problem avsevärt genom att säkerställa att sannolika "störningsinslag” vid frekvenser som ligger nära f_CHOP filtreras före detta förstärkarsteg.

Chopping-artefakter kan man också kalla det när man samplar förstärkarutgången med en analog- till digitalomvandlare (ADC). Egenskaperna för dessa IMD-produkter beror på storleken på spänningsavbrottet och rippelomfattningen och kan variera från komponent till komponent. Därför är det ofta nödvändigt att inkludera kantutjämningsfilter före analog- till digitalomvandlaren för att minska denna IMD.

Det är inte förvånande att filtrering är avgörande för att utnyttja den fulla potentialen hos förstärkare med nollpunktsförskjutning eftersom det är det mest effektiva sättet att på systemnivå hantera dessa högfrekventa artefakter. Ett lågpassfilter mellan förstärkaren med nollpunktsförskjutning och analog- till digitalomvandlaren minskar chopping-artefakter och undviker utjämning.

Förstärkare med nollpunktsförskjutning och högre chopping-frekvenser minskar kraven på lågpassfiltret och möjliggör större signalbandbredd. Oavsett detta, beroende på hur mycket avvisning utanför bandet som behövs i systemet och signalkedjan kan det dock krävas ett aktivt filter av hög klass i stället för ett enkelt filter.

ADI har olika resurser för att påskynda och förenkla filterkonstruktionen, bland annat en handledning om filter med flera återkopplingar (MT-220) och online- guidenför filterdesign. Genom att känna till de frekvenser där dessa chopping-artefakter uppstår kan man skapa det nödvändiga filtret (figur 10).

Figur 10: Tabellen sammanfattar typerna av brus och deras spektrala placering för förstärkare med nollpunktsförskjutning och är en användbar vägledning för att bedöma vilken typ av filtrering som behövs och var. (Bildkälla: Analog Devices)

Få ut den där sista biten prestanda

Ett av de problem som konstruktörer stöter på när de använder förstklassiga komponenter i kombination med noggrann systemkonstruktion är att återstående felkällor nu blir betydande. Felkällor som tidigare var irrelevanta eller osynliga är nu begränsande faktorer för att uppnå prestanda på toppnivå (det kan jämföras med när en flod torkar ut under en torka och nya flodbädden avslöjar nya egenskaper för första gången). Med andra ord blir felkällorna av tredje graden problemet när felkällorna av första och andra graden minimeras eller elimineras.

För förstärkare med nollpunktsförskjutning och deras analoga signalkanaler är en potentiell källa till offsetfel exempelvis Seebeck-spänningen på kretskortet. Spänningen uppstår i övergången mellan två olika metaller och är en funktion av temperaturen i övergången. De vanligaste metallövergångarna på ett kretskort är lödningen mot lödön och lödningen mot komponentbenet.

Beakta tvärsnittet av en ytmonterad komponent som är lödd på ett kretskort (figur 11). En temperaturvariation över hela kretskortet, t.ex. om TA1 avviker från TA2, orsakar en dålig matchning i Seebeck-spänningarna vid lödfogarna, vilket resulterar i termiska spänningsfel som försämrar den extremt låg offsetspänningens prestanda i förstärkarna med nollpunktsförskjutning.

Figur 11: Då avancerade förstärkare med nollpunktsförskjutning avsevärt minskar sina fel, blir mindre synliga källor, t.ex. de som beror på termiska gradienter och Seebeck-spänning, en utmaning som måste hanteras. (Bildkälla: Analog Devices)

För att minimera dessa termokopplingseffekter bör resistorerna placeras så att de olika värmekällorna värmer båda ändar lika mycket. Där det är möjligt måste ingångarnas signalvägar innehålla motsvarande nummer och typer av komponenter för att motsvara antalet och typen av termokopplingsövergångar. Dummy-komponenter, t.ex. nollohms-resistorer, kan användas för att matcha den termoelektriska felkällan (med riktiga resistorer i motsatt insignalväg). Genom att placera motsvarande komponenter nära varandra och lägga till dem på samma sätt, säkerställer man lika Seebeck-spänningar, vilket upphäver termiska fel.

Det kan vara nödvändigt att använda komponentben av lika längd för att åstadkomma jämvikt i värmeöverföringen. Kretskortets värmekällor bör hållas så långt borta från förstärkarens ingångskretsar som möjligt. Dessutom kan ett jordplan användas för att hjälpa till att fördela värmen över hela kretskortet för att bibehålla en konstant temperatur och minska upptagningen av EMI-brus.

Sammanfattning

Dagens kretsförstärkare med nollpunktsförskjutning erbjuder mycket stabil och noggrann prestanda, vilket gör dem till lösningen på utmaningen med analoga front-end i verkliga tillämpningar som kräver precision och konsekvens vid infångandet av mycket lågfrekventa signaler. De löser det långvariga problemet med att förstärka dessa signaler korrekt, som är eller nästan är, likström, samt många situationer där större bandbredd också krävs. Genom att slå samman de två tillgängliga teknikerna för att bygga sådana förstärkare i en enda kretsförstärkare - nämligen chopper-baserad stabilisering och automatisk nollställning - drar konstruktör nytta av de positiva egenskaperna hos varje metod, vilket också minimerar deras artefakter och brister.