Melyek a zero-drift erősítők jellegzetességei?
A zero-drift erősítők dinamikusan korrigálják ofszetfeszültségüket, és állítják helyre zajszintjüket. A két leggyakrabban alkalmazott típus, az auto-nullázós (auto-zero) és szaggató (chopper) erősítők ofszetfeszültsége a nV-os tartományba esik, feszültségingadozásuk (driftjük) az idő és hőmérséklet függvényében igen csekély. Az erősítő 1/f zaját szintén eltávolítják a rendszerből, mivel az DC-hibaként látszik. A zero-drift erősítők számos előnnyel csábítják a tervezőket, amelyek közül az olyan bosszantó kis apróságokat, mint a hőmérsékleti drift vagy 1/f zaj egyébként igen komplikált a rendszerből kiszűrni. A zero-drift erősítők nyílthurkú erősítése, tápfeszültség- és közös módusú elnyomása szintén lényegesen nagyobb, mint a standard erősítőké, a kumulált kimeneti hiba pedig sokkal alacsonyabb, mint az azonos konfigurációs, de standard precíziós erősítős rendszeré
Melyek a zero-drift erősítők legfontosabb alkalmazási területei?
A zero-drift erősítőket tipikusan több mint 10 év élettartamra tervezett, nagy zárthurkú erősítésű (>100), alacsony frekvenciás (<100 Hz) és alacsony jelszintű rendszerekben használják. Ilyen alkalmazások például a precíziós mérlegek, orvosi műszerek, precíziós metrológiai műszerek, valamint infravörös, hídkapcsolású szenzor- és hőelemoszlopos szenzorinterfészek.
Hogyan működik az auto-nullázás?
1. ábra. Az auto-nullázós erősítő
Az auto-nullázási funkcióval rendelkező erősítők (pl. az AD8538, AD8638, AD8551 és AD8571 családok) általában két órajelciklus alatt korrigálják a bemeneti ofszet hatását. Az "A" órajelfázisban a ΦA jelzésű kapcsolók zártak, a ΦB jelzésűek nyitottak (lásd 1. ábra). A nullázóerősítő ofszetfeszültségét a CM1 jelű kondenzátor méri és tárolja.
2. ábra. Az auto-nullázós erősítő
A "B" órajelfázisban a ΦB jelű kapcsolók zártak és a ΦA jelűek nyitottak (lásd 2. ábra). A főerősítő ofszetfeszültségét a CM2 kondenzátor méri és tárolja, a CM1 kondenzátorban tárolt feszültség pedig a nullázóerősítő ofszetfeszültségét állítja be. Az így keletkezett ofszetet aztán a rendszer a bemeneti jel feldolgozása közben a főerősítőre küldi.
A mintavételezés és -tartás funkció az auto-nullázós erősítőket mintavételező rendszerré teszi, kitéve őket az aliasing1 és zajvisszavezetés-hatásoknak. Alacsony frekvenciákon a zaj lassan változik, ezért két, egymást követő zajminta egymásból történő kivonása gyakorlatilag tökéletes elnyomást valósít meg. Magasabb frekvencián ilyen korrelációról már nem beszélhetünk, a kivonási hibák a szélessávú összetevőket az alapsávba vezetik vissza. Ebből következik, hogy az auto-nullázós erősítők sávon belüli zaja nagyobb, mint a standard műveleti erősítőké. Az alacsony frekvenciás zaj csökkentésének eszköze a mintavételezési frekvencia növelése, ez azonban további töltésinjektálást jelent. A jelútvonalban mindössze a főerősítő található, így relatíve magas egységnyi erősítésű sávszélesség érhető el.
Hogyan működik a szaggatóerősítő?
3. ábra. Az ADA4051 típusjelű műveleti erősítő szaggatási sémája
A 3. ábra az ADA4051 típusszámú szaggatóerősítő tömbvázlatát mutatja, amely lokális autokorrekciós visszacsatoló (ACFB) hurokkal működik. A fő jelútvonalban a CHOP1 jelű bemeneti szaggatóhálózat, a Gm1 teljes dinamikus átvezetésű erősítő, a CHOP2 kimeneti szaggatóhálózat és a Gm2 teljes dinamikus átvezetésű erősítő található. A CHOP1 és CHOP2 a Gm1 kezdeti ofszetjét és 1/f zaját modulálja a szaggatási frekvenciára. A Gm3 teljes dinamikus átvezetésű erősítő érzékeli a CHOP2 kimenetén a modulált lüktetést, CHOP3 pedig a lüktetést egyenáramra modulálja vissza. Mindhárom szaggatóhálózat 40 kHz kapcsolási frekvencián működik. Végezetül a Gm4 teljes dinamikus átvezetésű erősítő nullázza a Gm1 kimenetén az egyenáramú összetevőt, amely egyéb esetben megjelenne a rendszer kimenetén lüktetés formájában. A kapcsolt kondenzátoros fésűs szűrő (SCNF) szelektíven nyomja el a nemkívánatos, ofszet-vonatkozású lüktetést a bemeneti jel zavarása nélkül. A modulált összevetők tökéletes kiszűrése érdekében az SCNF-et szinkronizálják a szaggatási frekvenciához.
Lehetséges a két technika kombinációja?
4. ábra. A nagyobb sávszélességű AD8628 típusjelű erősítő támogatja az auto-nullázási és szaggatási funkciókat is
Az Analog Devices legújabb erősítői éppen e két technika kombinációját valósítják meg. Az AD8628 típusszámú zero-drift erősítő (lásd 4. ábra) rendelkezik mind az auto-nullázási, mind a szaggatási funkcióval, így a szaggatási frekvencián csökkenti a fogyasztást, és egyúttal nagyon alacsony szinten tartja a zajt kis frekvenciákon. A két technika kombinációjával a korábbi zero-drift erősítőkhöz képest nagyobb sávszélesség érhető el.
Mely problémák merülhetnek fel zero-drift erősítő alkalmazásánál?
A zero-drift erősítőkben digitális áramkörökkel történik az analóg ofszethibák dinamikus korrekciója. A nem kellő körültekintéssel megtervezett analóg áramkörökben ebből kifolyólag problémát jelenthet a töltéshordozók injektálása, az órajel-átvezetés, az intermodulációs torzítás és a hosszabb túlterhelési feléledési idő. A zárthurkú erősítés vagy forrásellenállás növekedésével az órajel-átvezetés nagyságrendje is nő, ennek káros hatása egy kimeneti szűrő illesztésével, vagy a neminvertáló bemeneten egy kisebb értékű ellenállás használatával csökkenthető. A zero-drift erősítők kimeneti hullámzása szintén erősödik, ha a bemeneti frekvencia a szaggatási frekvencia közelébe kerül.
Mi történik a belső órajelnél nagyobb frekvenciájú jelekkel?
Az auto-nullázási frekvenciánál nagyobb frekvenciájú jelek erősíthetők. Az auto-nullázós erősítő sebessége függ az erősítés-sávszélesség szorzattól, amely a főerősítő, nem pedig a nullázós erősítő függvénye. Az auto-nullázási frekvencia jelzést ad arra vonatkozóan, hogy mikor várható a kapcsolási hibák ("műtermékek") felbukkanása.
Melyek a legfontosabb különbségek az auto-nullázás és szaggatás között?
5. ábra. A különböző erősítőtopológiák jellemző zajkaraterisztikája a frekvencia függvényében
Az auto-nullázás az ofszethibákat mintavételezéssel, a szaggatás modulációval és demodulációval korrigálja. A mintavételezés zajt visz vissza az alapsávba, ezért az auto-nullázós erősítők sávon belüli zaja nagyobb. A zajelnyomásért magasabb áramokat vetnek be, amely nagyobb disszipációt okoz. A szaggatók kisfrekvenciás zaja a flat-band zajukkal konzisztens, azonban a szaggatási frekvencián és azok harmonikusain nagyobb energiák keletkeznek. Kimeneti szűrésre lehet szükség, így ezek az erősítők leginkább kisfrekvenciás alkalmazásokra felelnek meg. Az auto-nullázási és szaggatásos technikákra jellemző zajkarakterisztikákat az 5. ábra szemlélteti.
Mikor érdemes az auto-nullázós, ill. a szaggatóerősítőket használni?
A szaggatóerősítők a kisteljesítményű, kisfrekvenciás (<100 Hz), az auto-nullázós erősítők pedig inkább a szélessávú alkalmazásokhoz felelnek meg. A szaggatási és auto-nullázási funkciókat kombináló AD8628 erősítő ideális a kiszajú, kapcsolási hibáktól mentes és nagy sávszélességű alkalmazásokhoz.
1. táblázat. A három erősítőfajta legfontosabb tervezési tudnivalói
Az 1. táblázat a legfontosabb tervezéssel kapcsolatos tudnivalókat foglalja össze.
A Farnell által is forgalmazott Analog Devices termékek a hu.farnell.com/analog-devices oldalon megtekinthetők.
Felhasznált irodalom
[1] "Bridge-Type Sensor Measurements Are Enhanced by Auto-Zeroed Instrumentation Amplifiers."
[2] "Demystifying Auto-Zero Amplifiers - Part 1."
[3] "Demystifying Auto-Zero Amplifiers - Part 2."
[4] MT-055 Tutorial, Chopper Stabilized (Auto-Zero) Precision Op Amps.
1: Az elektronikai jelfeldolgozásban jelentkező azon hatás, amely mintavételezéskor megkülönböztethetetlenné teszi a jeleket
2: A bemeneti ofszetfeszültség driftje
