Hoe bereik je zowel DC-precisie als een grote bandbreedte met zero-drift-versterkers?

Er zijn veel echte sensorsignalen, vooral die welke verband houden met natuurlijke verschijnselen, die slechts zeer langzame en geringe veranderingen ten opzichte van de tijd vertonen. Toch zijn het deze subtiele veranderingen die belangrijk zijn voor het ontwikkelen van inzicht en begrip van de situatie. Tot de vele voorbeelden behoren rekstrookjes die de beweging van bruggen of constructies bewaken, onderwatertransducers voor stroom, temperatuurgerelateerde verschijnselen, versnellingsmeters die bewegingen in verband met aardbevingen en verschuivingen van het aardoppervlak registreren, outputs van diverse optische sensoren, en bijna alle biopotentiële signalen.

Het effectief en nauwkeurig vastleggen van signalen met een zeer laag niveau is altijd een uitdaging geweest. Zij worden gemakkelijk aangetast door ruis, zodat versterking ervan essentieel is om de vereiste amplitude te bereiken en de signaal-ruisverhouding (SNR) te handhaven. De lage frequentie van deze signalen, vaak in de enkele cijfers of tientallen hertz (Hz) en in de volksmond "DC-signalen" genoemd, maakt de uitdaging nog groter.

Elke initiële DC-offset in de parameters van de versterker, zoals biasstroom of -spanning, en inherente 1/f (roze) ruis, alsmede latere onvermijdelijke prestatieverschuivingen als gevolg van door de temperatuur veroorzaakte drift, variaties in de voedingsrail of veroudering van componenten, zullen de prestaties van de signaalketen verminderen.

Traditioneel waren zogenaamde "zero-drift"-versterkers alleen haalbaar voor toepassingen met een lagere bandbreedte, aangezien dynamische foutreductietechnieken bij hogere frequenties buitensporige artefacten veroorzaken. Dat is echter een zeer beperkende beperking, aangezien deze gelijkstroomachtige signalen plotselinge uitbarstingen van belangrijke activiteit met een hogere frequentie en grotere bandbreedte kunnen vertonen, bijvoorbeeld wanneer een structuur plotseling breekt of een aardbeving plaatsvindt.

Daarom is een front-end versterker met een zeer geringe drift voor DC-achtige signalen en goede prestaties bij hogere frequenties zeer wenselijk. Gelukkig hebben verbeteringen in topologie en ontwerp de ontwikkeling mogelijk gemaakt van zero-drift-versterker-IC's voor werking van DC tot hogere frequenties die offset, parameterdrift en 1/f-ruis in wezen elimineren.

In dit artikel worden componenten van Analog Devices (ADI) gebruikt om de specifieke kenmerken van zero-drift-versterkers, hun parameters en problemen te illustreren. Vervolgens wordt bekeken hoe de functies van de zero-drift-versterker worden gerealiseerd, alsmede technieken om de prestaties van de versterker en de bijbehorende signaalketen te verbeteren.

Omgaan met niet-zero-drift

Drift is een verschuiving in de basisprestaties en is voornamelijk, maar niet volledig, te wijten aan diverse thermische effecten in de sensor en het analoge front-end (AFE) circuit. De traditionele oplossing om een zero-drift te bereiken is het gebruik van een choppergestabiliseerde versterker die het laagfrequente signaal (vaak een DC-signaal genoemd) moduleert tot een hogere frequentie die gemakkelijker te regelen en te filteren is; daaropvolgende demodulatie in de eindtrap door de versterker herstelt het oorspronkelijke signaal, maar in versterkte vorm. Deze techniek werkt en wordt al vele jaren met succes toegepast.

Merk op dat "DC-signaal" een beetje een verkeerde benaming is, en dat "bijna DC" nauwkeuriger zou zijn. Als het signaal echt gelijkstroom was en dus een constante waarde had, zou het geen informatiedragende variaties hebben - in plaats daarvan zijn het de langzame variaties die van belang zijn. De gebruikelijke terminologie is echter om de term "DC-signaal" te gebruiken.

Een alternatief voor stabilisatie op basis van chopper is de "auto-zeroing"-aanpak. Deze techniek maakt gebruik van dynamische correctie om soortgelijke resultaten te bereiken, maar met een enigszins andere afweging van prestaties. Zero-drift operationele versterkers kunnen gebruik maken van chopping, auto-zeroing, of een combinatie van beide technieken om ongewenste laagfrequente foutbronnen te verwijderen. Ook hier is er een kleine terminologische kwestie: de term "zero-drift" is enigszins misleidend: hoewel deze versterkers een extreem laag, zeer dicht bij nul drijfvermogen hebben, zijn ze niet perfect - ook al komen ze indrukwekkend dicht in de buurt. Elke techniek heeft voor- en nadelen en wordt in verschillende toepassingen gebruikt:

• Chopping gebruikt signaalmodulatie en -demodulatie en heeft een lagere basisbandruis, maar produceert ook ruisartefacten bij de chopping-frequentie en de harmonischen daarvan.
• Als alternatief gebruikt auto-zeroing een sample-and-hold schakeling en is geschikt voor bredere bandtoepassingen, maar heeft meer in-band spanningsruis als gevolg van ruis "foldback" naar het basisbanddeel van het spectrum.
• Geavanceerde zero-drift-versterker-IC's combineren beide technieken om het beste van beide werelden te bieden. Zij beheren de ruis spectrale dichtheid (NSD) om lagere basisbandruis te bieden en tegelijkertijd hoogfrequente fouten zoals rimpeling, glitches en intermodulatievervorming (IMD) te minimaliseren (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: Elk type analoge versterker heeft een unieke typische ruis spectrale dichtheid (NSD); de zero-drift-versterker accepteert de NSD prestaties van de auto-zero en choppergestabiliseerde benaderingen om een meer aanvaardbaar scenario op te leveren. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Begin met chopping

De choppergestabiliseerde versterker (ook wel chopping versterker of gewoon "chopper" genoemd) gebruikt een chopping schakeling om het ingangssignaal te breken (choppen) zodat het verwerkt kan worden alsof het een gemoduleerd AC-signaal is. Vervolgens demoduleert hij het signaal terug naar een DC-signaal aan de uitgang om het oorspronkelijke signaal te extraheren.

Op deze manier kunnen extreem kleine gelijkspanningssignalen worden versterkt, terwijl de effecten van ongewenste drifts sterk worden geminimaliseerd tot bijna nul. De choppingmodulatie scheidt offset en laagfrequente ruis van de signaalinhoud door de fouten te moduleren naar hogere frequenties, waar ze veel gemakkelijker geminimaliseerd of verwijderd kunnen worden via filtering.

De details van het chopping zijn gemakkelijk te begrijpen in het tijdsdomein (Afbeelding 2). Het ingangssignaal (a) wordt door het choppingsignaal (b) gemoduleerd tot een blokgolf. Dit signaal wordt gedemoduleerd (c) aan de uitgang (d) terug naar DC. De inherente laagfrequente fouten (rode golfvorm) in de versterker worden (c) aan de uitgang gemoduleerd tot een blokgolf, die vervolgens (d) wordt gefilterd door een laagdoorlaatfilter (LPF).

Afbeelding 2: Tijddomein-golfvormen van het ingangssignaal V_IN (blauw) en fouten (rood) bij (a) ingang, (b) V1, (c) V2, en (d) V_OUT voor de basischoppingtechniek. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Ook de frequentiedomeinanalyse is leerzaam (Afbeelding 3). Het ingangssignaal (a) wordt gemoduleerd tot de choppingfrequentie (b), verwerkt door de versterkingsfase op f_CHOP, gedemoduleerd aan de uitgang terug naar DC (c), en tenslotte door de LPF (d) geleid. De offset- en ruisbronnen (rood signaal) van de versterker worden bij DC verwerkt door de versterkertrap, gemoduleerd tot f_CHOP door de outputchop-schakelaar (c), en tenslotte gefilterd door de LPF (d). Aangezien gebruik wordt gemaakt van blokgolfmodulatie, vindt de modulatie plaats rond oneven veelvouden van de modulatiefrequentie.

Afbeelding 3: Het spectrum in het frequentiedomein van het signaal (blauw) en de fouten (rood) bij (a) ingang, (b) V1, (c) V2, en (d) V_OUT is ook een belangrijk perspectief. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Natuurlijk is geen enkel ontwerp perfect. Zowel de tijddomein- als de frequentiedomeincijfers laten zien dat er enige restfout zal zijn door de gemoduleerde ruis en offset, aangezien de LPF geen perfecte "stenen muur" is.

Doorgaan naar auto-zeroing

Auto-zeroing is een dynamische correctietechniek die werkt door het bemonsteren en aftrekken van laagfrequente foutbronnen in een versterker. Een eenvoudige auto-zero-versterker bestaat uit een versterker met zijn onvermijdelijke offset en ruis, schakelaars om de ingang en de uitgang opnieuw te configureren, en een bemonsteringscondensator voor auto-nul (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: De basisconfiguratie van de auto-zero-versterker toont de schakelaars die worden gebruikt om de signaalweg te herconfigureren en zo de inherente fouten van de versterker op een condensator te vangen. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Tijdens de auto-zerofase, ϕ₁, wordt de ingang van de schakeling kortgesloten op een gemeenschappelijke spanning en de auto-zero-condensator meet de offset-ingangsspanning en de ruis. Het is belangrijk op te merken dat de versterker tijdens deze fase "niet beschikbaar" is voor signaalversterking omdat hij met een andere taak bezig is. Om een auto-zero-versterker continu te laten werken, moeten twee identieke kanalen elkaar afwisselen in wat "ping-pong" auto-zeroing wordt genoemd.

Tijdens de versterkingsfase, ϕ₂, wordt de ingang weer aangesloten op de signaalweg en is de versterker weer beschikbaar om het signaal te versterken. De laagfrequente ruis, offset en drift worden geannuleerd door auto-zeroing. De resterende fout is het verschil tussen de huidige waarde en de vorige steekproef van de fouten.

Aangezien laagfrequente foutbronnen niet veel veranderen van ϕ₁ naar ϕ₂, werkt deze aftrekking goed. De hoogfrequente ruis wordt echter gealiased tot op de basisband en resulteert in een verhoogde witte-ruisvloer (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: De spectrale dichtheid van het geluid wordt gevormd door de chopping- en auto-zero-acties, zoals te zien is (van links naar rechts) vóór auto-zero, na auto-zero, na chop, en na chop en auto-zero. (Bron afbeelding: Analog Devices)

De prestaties van geavanceerde auto-zeoring-IC-versterker zijn indrukwekkend. Ze zijn doorgaans één tot twee orden van grootte beter dan zelfs een "zeer goede" precisieversterker wat betreft kritische specificaties voor offset, verloop en ruis. Dus hoewel hun cijfers duidelijk niet nul zijn, zitten ze er heel dicht bij.

De ADA4528 is bijvoorbeeld een eenkanaals, rail-naar-rail (RTR), zero-drift-versterker met een maximale offsetspanning van 2,5 microvolt (μV), een maximale offsetspanningsdrift van slechts 0.015 μV/°C, en een spanningsruisdichtheid van 5,6 nanovolt per wortel Hertz (nV)/√Hz) (bij f = 1 kilohertz (kHz), versterking van +100), en 97 nV _piek-piek (voor f = 0,1 Hz tot 10 Hz, versterking van +100). De ADA4522, een andere eenkanaals RTR zero-drift-versterker, biedt een maximale offsetspanning van 5 μV, een maximale offsetspanningsdrift van 22 nV/°C, een spanningsruisdichtheid van 5,8 nV/√Hz (typisch), en 117 nV _piekk-piek van 0,1 Hz tot 10 Hz (typisch), samen met een ingangsbiasstroom van 50 picoamps (pA) (typisch).

Artefacten kunnen de "perfectie" verminderen

Hoewel chopping goed werkt om ongewenste offset, drift en 1/f-ruis te verwijderen, produceert het inherent ongewenste AC-artefacten zoals uitgangsrimpels en glitches. Door zorgvuldig onderzoek naar de onderliggende oorzaak van elk artefact, gevolgd door het gebruik van geavanceerde of verfijnde topologieën en procesbenaderingen, hebben de zero-drift-producten van Analog Devices de omvang van deze artefacten echter veel kleiner gemaakt, en ze gelokaliseerd bij hogere frequenties waar ze gemakkelijker uit te filteren zijn op systeemniveau. Deze artefacten omvatten:

Rimpeling: Een fundamenteel gevolg van de choppingmodulatie techniek die deze laagfrequente fouten verplaatst naar oneven harmonischen van de chopping frequentie. Versterkerontwerpers gebruiken vele methoden om de effecten van rimpel te verminderen, waaronder:

• Productie-offset trimmen: De nominale offset kan aanzienlijk worden verminderd door een eenmalige initiële trim uit te voeren, maar het offsetverloop en de 1/f-ruis blijven bestaan.
• Combinatie van chopping en auto-zeroing: De versterker wordt eerst automatisch op nul gezet en vervolgens gechopped om de verhoogde ruisspectrumdichtheid (NSD) te up-moduleren naar een hogere frequentie (zoals te zien is in de vorige afbeelding, die het resulterende geluidsspectrum na chopping en auto-zeroing toont).
• Autocorrectie-feedback (ACFB): Een lokale feedbacklus kan worden gebruikt om de gemoduleerde rimpeling aan de uitgang op te vangen en de laagfrequente fouten aan de bron ervan teniet te doen.

Glitches: Voorbijgaande pieken die worden veroorzaakt door een verkeerde ladinginjectie van de chopping-schakelaars. De omvang van deze glitches hangt af van vele factoren, waaronder de bronimpedantie en de hoeveelheid ladingsmismatch.

De glitch spikes veroorzaken niet alleen artefacten op de even harmonischen van de chopfrequentie, maar creëren ook een residuele DC-offset die evenredig is met de chopfrequentie. Afbeelding 6 (links) illustreert hoe deze pieken eruit zien binnen de chop-schakelaars bij V1, en na de output chop-schakelaars bij V2. Extra storingsartefacten bij even harmonischen van de chopfrequentie worden veroorzaakt door de eindige bandbreedte van de versterker (Afbeelding 6, rechts).

Afbeelding 6: Glitch-spanning (links) van ladingsinjectie bij V1 (binnen de chop-schakelaars) en V2 (buiten de chop-schakelaars); glitches (rechts) veroorzaakt door eindige bandbreedte van de versterker bij V1 en bij V2. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Net als bij rimpel hebben versterkerontwerpers subtiele maar effectieve technieken bedacht en toegepast om het effect van glitches in zero-drift versterkers te verminderen.

• Laadinjectietrim: Een trimbare lading kan worden geïnjecteerd in de ingangen van een chopped versterker ter compensatie van ladingsmismatch, waardoor de hoeveelheid ingangsstroom aan de ingangen van de op amp vermindert.
• Multikanaals chopping: Dit vermindert niet alleen de grootte van de glitch, maar verplaatst deze ook naar een hogere frequentie, waardoor filteren gemakkelijker wordt. Deze techniek resulteert in frequentere glitches, maar met kleinere magnitudes dan gewoon chopping op een hogere frequentie.

Een duidelijke demonstratie van multichannel chopping is te zien in de vergelijking tussen een typische zero-drift-versterker (A) en de ADA4522, die deze techniek gebruikt om het effect van glitches aanzienlijk te verminderen (Afbeelding 7).

Afbeelding 7: Door zijn kleinere ruispieken, die het gevolg zijn van zijn gewijzigde choppingtechniek, reduceert de ADA4522 spanningspieken tot aan de ruisvloer. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Van versterker alleen naar systeemprestaties

Voor een doeltreffende toepassing van breedbandige zero-drift-versterkers moet zorgvuldig rekening worden gehouden met zowel het systeem als de versterker. Begrijpen waar de resterende frequentie-artefacten zich in het frequentiespectrum bevinden, en wat hun invloed is, is van cruciaal belang.

De choppingfrequentie wordt meestal, maar niet altijd, vermeld in het gegevensblad. Het kan ook worden bepaald door naar de grafiek van het geluidsspectrum te kijken. De datasheet van de ADA4528 vermeldt bijvoorbeeld expliciet een chopping-frequentie van 200 kHz. Dat is ook te zien in de geluidsdichtheidsplot (Afbeelding 8).

Afbeelding 8: De vermelde specificatie van de ADA4528 datasheet choppingfrequentie van 200 kHz wordt herhaald door de ruisdichtheidsgrafiek voor het apparaat. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Het gegevensblad van de ADA4522 vermeldt dat de choppingfrequentie 4,8 megahertz (MHz) is met een offset- en rimpelcorrectielus die werkt op 800 kHz. De geluidsdichtheidsgrafiek in Afbeelding 9 toont deze geluidspieken. Er is ook een ruisbult bij 6 MHz als gevolg van de verminderde fasemarge van de lus bij eenheidsversterking, maar dit is niet uniek voor zero-drift-versterkers.

Afbeelding 9: De grafiek van de ruisdichtheid voor de ADA4522 toont niet alleen de choppingfrequentie, maar ook andere ruispieken als gevolg van verschillende bronnen. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Ontwerpers moeten in gedachten houden dat de frequentie die in het gegevensblad wordt genoemd een typisch getal is en van onderdeel tot onderdeel kan variëren. Daarom moet een systeemontwerp dat twee chopped versterkers vereist voor meerdere signaalconditioneringskanalen een dubbele versterker gebruiken. Dit komt doordat de twee afzonderlijke versterkers enigszins verschillende choppingfrequenties kunnen hebben, die op hun beurt op elkaar kunnen inwerken en extra IMD kunnen veroorzaken.

Andere ontwerpvoorwaarden op systeemniveau omvatten:

• Afstemming van de ingangsbronimpedantie: Voorbijgaande stroomstoringen werken samen met de ingangsbronimpedantie om differentiële spanningsfouten te veroorzaken, wat kan leiden tot extra artefacten bij veelvouden van de choppingfrequentie. Om deze potentiële foutenbron te minimaliseren, moet elke ingang van een gehakte versterker zodanig worden ontworpen dat hij dezelfde impedantie ziet.
• IMD en aliasing artefacten: Een choppingversterker-ingangssignaal kan zich mengen met de choppingfrequentie, f_CHOP, om IMD te creëren bij hun som- en verschilproducten, en hun harmonischen: f_IN ± f_CHOP, f_IN ± 2f_CHOP, 2f_IN ± f_CHOP, enzovoort. Deze IMD-producten kunnen in de betrokken band verschijnen, vooral wanneer f_IN de choppingfrequentie nadert. Door echter een zero-drift-versterker te kiezen met een choppingfrequentie die veel groter is dan de bandbreedte van het ingangssignaal, wordt dit probleem tot een minimum beperkt doordat de waarschijnlijke "stoorzenders" met frequenties die dicht bij f_CHOP liggen, vóór deze versterkertrap worden gefilterd.

Choppingartefacten kunnen ook worden gealiased wanneer de uitgang van de versterker wordt bemonsterd met een analoog-digitaal-convertor (ADC). De specifieke kenmerken van deze IMD-producten hangen af van de grootte van glitch en rimpeling en kunnen per onderdeel verschillen, zodat het vaak nodig is antialiasingfilters vóór de ADC op te nemen om deze IMD te verminderen.

Het is dan ook geen verrassing dat filtering van cruciaal belang is om het volledige potentieel van zero-drift-versterkers te benutten, aangezien dit de meest effectieve manier is om deze hoogfrequente artefacten op systeemniveau aan te pakken. Een laagdoorlaatfilter tussen de zero-drift-versterker en de ADC vermindert choppingartefacten en voorkomt aliasing.

Zero-drift-versterkers met hogere choppingfrequenties stellen minder eisen aan de LPF en maken een grotere signaalbandbreedte mogelijk. Niettemin kan, afhankelijk van hoeveel out-of-band rejectie het systeem en de signaalketen nodig hebben, een actief filter van hoge orde nodig zijn in plaats van een eenvoudig filter.

ADI beschikt over diverse hulpmiddelen om het filterontwerp te versnellen en te vereenvoudigen, waaronder een handleiding voor meervoudige terugkoppelingsfilters (MT-220) en de online filterontwerptool Wizard. Kennis van de frequenties waarop deze choppingartefacten optreden helpt bij het maken van het vereiste filter (Afbeelding 10).

Afbeelding 10: De tabel geeft een overzicht van de soorten ruis en hun spectrale locatie voor zero-drift-versterkers, en is een nuttige leidraad om te beoordelen welk soort filtering nodig is en waar. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Dat laatste beetje prestatie krijgen

Een van de problemen waarmee ontwerpers te maken krijgen bij het gebruik van superieure componenten in combinatie met een zorgvuldig systeemontwerp is dat restfoutenbronnen nu significant worden. Foutbronnen die voorheen irrelevant of onzichtbaar waren, zijn nu beperkende factoren voor het bereiken van topprestaties (het is vergelijkbaar met wanneer een rivier opdroogt door droogte en nieuwe rivierbeddingen voor het eerst zichtbaar worden). Met andere woorden, de derde-orde foutenbronnen worden het probleem wanneer de eerste- en tweede-orde foutenbronnen geminimaliseerd of geëlimineerd worden.

Voor zero-drift-versterkers en hun analoge signaalkanalen is bijvoorbeeld de Seebeck-spanning op de printplaat een potentiële bron van offsetfouten. Deze spanning treedt op bij de verbinding van twee ongelijke metalen en is een functie van de temperatuur van de verbinding. De meest voorkomende metalen verbindingen op een printplaat zijn soldeer-bordspoor en soldeer-componentlood.

Beschouw de doorsnede van een opbouwcomponent die op een printplaat is gesoldeerd (Afbeelding 11). Een variatie in temperatuur over de gehele printplaat, bijvoorbeeld met TA1 anders dan TA2, veroorzaakt een mismatch in de Seebeck-spanningen bij de soldeerverbindingen, hetgeen resulteert in thermische spanningsfouten die de ultralage offsetspanningsprestaties van de zero-drift-versterkers aantasten.

Afbeelding 11: Naarmate geavanceerde zero-drift-versterkers hun fouten aanzienlijk verminderen, worden minder zichtbare bronnen, zoals die ten gevolge van thermische gradiënten en Seebeck-spanning, de uitdaging en moeten zij worden aangepakt. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Om deze thermokoppeleffecten te minimaliseren moeten de weerstanden zo worden georiënteerd dat de verschillende warmtebronnen beide uiteinden gelijkelijk verwarmen. Waar mogelijk moeten de ingangssignaalpaden hetzelfde aantal en type componenten bevatten als het aantal en type thermokoppelverbindingen. Dummycomponenten, zoals zero-ohmige weerstanden, kunnen worden gebruikt om de thermo-elektrische foutbron te evenaren (met echte weerstanden in het tegenovergestelde ingangstraject). Door de componenten dicht bij elkaar te plaatsen en ze op dezelfde manier te oriënteren, worden gelijke Seebeck-spanningen verkregen, waardoor thermische fouten worden opgeheven.

Bovendien kan het nodig zijn draden van gelijke lengte te gebruiken om de warmtegeleiding in evenwicht te houden. De warmtebronnen op de printplaat moeten zo ver mogelijk van het ingangscircuit van de versterker verwijderd worden gehouden. Verder kan een massaplaat worden gebruikt om de warmte over de printplaat te verdelen, zodat de temperatuur over de hele printplaat constant blijft en er minder EMI-ruis wordt opgepikt.

Conclusie

De huidige zero-drift-IC's bieden zeer stabiele en nauwkeurige prestaties, waardoor zij de oplossing vormen voor de uitdaging van AFE's in echte toepassingen die precisie en consistentie vereisen bij het opvangen van signalen met een zeer lage frequentie. Zij lossen het reeds lang bestaande probleem op van een nauwkeurige versterking van deze signalen bij of nabij DC, alsmede vele situaties waarin ook een grotere bandbreedte vereist is. Door de twee beschikbare technieken voor het bouwen van dergelijke versterkers in één IC samen te voegen - namelijk choppergebaseerde stabilisatie en auto-zeroing - profiteren ontwerpers van de positieve eigenschappen van elke benadering, waardoor ook hun artefacten en tekortkomingen sterk worden geminimaliseerd.