Slik oppnår du både likestrømspresisjon og bred båndbredde ved å bruke forsterkere med nullpunktsvandring

Det er mange sensorsignaler i den virkelige verden, spesielt de som er relatert til naturfenomener, som kun viser svært langsomme og små endringer over tid. Likevel er det disse subtile endringene som er viktige når det gjelder å skaffe innsikt og forståelse over situasjonen. Blant de mange eksemplene finner vi strekkmålere som overvåker bro- eller strukturbevegelse, undervannstransdusere for strømflyt, temperaturrelaterte fenomener, akselerometre som registrerer bevegelse knyttet til jordskjelv og plateforskyvninger i overflatelaget til jorden, data fra forskjellige optiske sensorer og nesten alle biopotensielle signaler.

Effektiv og nøyaktig oppfanging av veldig svake signaler, har alltid vært en utfordring. Støy kan lett gjøre dem korrupte, så forsterkning er viktig for å oppnå den nødvendige amplituden og opprettholde signal-til-støy-forholdet (SNR – signal-to-noise ratio). Den lave frekvensen til disse signalene, ofte i ensifret eller titalls hertz (Hz), og i dagligtalen og universelt referert til som «DC-signaler» eller «likestrømssignaler», gjør ting enda mer utfordrende.

All innledende DC-forskyvning i forsterkerens parametere, slik som forspenningsstrøm eller spenningsforskyvning, og iboende 1/f (rosa) støy, samt påfølgende ytelsesforskyvninger som er uunngåelige på grunn av temperaturindusert vandring, effektskinnevariasjoner eller komponentaldring, vil forringe signalkjedens ytelse.

Tradisjonelt sett har det som kalles forsterkere med «nullpunktsvandring» bare vært mulig for konstruksjoner med lavere båndbredde, siden dynamiske feilreduksjonsteknikker produserer fenomener (artifacts) som er for store ved høyere frekvenser. Dette er imidlertid en meget begrensende restriksjon, ettersom disse DC-lignende signalene kan oppleve plutselige utbrudd av viktig bredere båndbreddeaktivitet med høyere frekvens, som kan oppstå når en struktur plutselig sprekker eller et jordskjelv inntreffer.

Derfor er en inngangsforsterker, som har meget lav vandring for DC-lignende signaler og god ytelse for høyere frekvenser, svært ønskelig. Heldigvis har forbedringer i topologi og utforming muliggjort utviklingen av forsterker-IC-er med nullpunktsvandring for betjening fra DC til høyere frekvenser, som i høy grad eliminerer forskyvning, parametervandring og 1/f-støy.

Denne artikkelen vil bruke komponenter fra Analog Devices (ADI) for å illustrere detaljene rundt forsterkere med nullpunktsvandring, samt deres parametere og problemer. Den vil da se på hvordan funksjonene til forsterkeren med nullpunktsvandring blir realisert, samt teknikker for å forbedre ytelsen til forsterkeren og den tilhørende signalkjeden.

Håndtering av ikke-nullpunktsvandring

Vandring er en endring i grunnleggende ytelse og skyldes hovedsaklig, men ikke helt, diverse termiske virkninger i sensoren og den analoge inngangskretsen (AFE – analog front-end). Den tradisjonelle løsningen for å oppnå nær nullpunktsvandring, er å bruke en pulsstabilisert forsterker som modulerer lavfrekvenssignalet (ofte kalt et DC-signal) til en høyere frekvens som er enklere å styre og filtrere. Etterfølgende demodulasjon på utgangstrinnet til forsterkeren gjenoppretter det opprinnelige signalet, men i forsterket form. Denne teknikken fungerer og har blitt brukt med hell i mange år.

Vær oppmerksom på at «DC-signal» er en noe misvisende benevnelse, og at «nær DC» er mer nøyaktig. Hvis signalet virkelig var DC, og dermed hadde en konstant verdi, ville det ikke ha noen informasjonsbærende variasjoner – det er i stedet de langsomme variasjonene som er av interesse. Likevel er det begrepet «DC-signal» som er den mest brukte terminologien.

Et alternativ til pulsforsterkerbasert stabilisering, er «auto-nullstilling»-tilnærmingen. Denne teknikken bruker dynamisk korreksjon for å oppnå lignende resultater, men med et litt annet sett med ytelseskompromisser. Forsterkere med nullpunktsvandring kan bruke pulsstabilisering, automatisk nullstilling eller en kombinasjon av begge disse teknikkene, for å fjerne uønskede lavfrekvente feilkilder. Det er igjen et mindre terminologiproblem: Begrepet «nullpunktsvandring» er litt misvisende. Selv om disse forsterkerne har ekstremt lav, nær nullpunktsvandring, er de ikke perfekte – men de er imponerende nærme. Hver teknikk har både fordeler og ulemper, og kan brukes i forskjellige konstruksjoner:

• Chopping bruker signalmodulasjon og -demodulasjon og har lavere basisbåndstøy, men produserer også støyfenomener ved chopping-frekvensen og dens oversvingninger.
• Automatisk nullstilling har en avsøkings- og holdekrets som er egnet for konstruksjoner med bredere bånd, men har mer støy i båndet på grunn av støytilbakekobling til basisbånddelen av spekteret.
• Avanserte forsterker-IC-er med nullpunktsvandring kombinerer begge teknikkene for å tilby det beste fra begge verdener. De styrer støyspektraltettheten (NSD – noise spectral density) for å tilby lavere støy på basisbåndet, samtidig som de minimerer høyfrekvente feil som rippel, forstyrrelser (glitches) og intermodulasjonsforvrengning (IMD – intermodulation distortion) (figur 1).

Figur 1: Alle typer analoge forsterkere har en unik typisk støyspektraltetthet (NSD). Forsterkeren med nullpunktsvandring tar NSD-ytelsen til den automatiske nullstillingen og chopper-stabiliserte tilnærmingen for å gi et mer akseptabelt scenario. (Bildekilde: Analog Devices)

Vi begynner med chopping

Den chopping-stabiliserte forsterkeren (også kalt en pulsforsterker eller «chopper») bruker en chopper-krets til å bryte opp («chop» på engelsk) inngangssignalet, slik at det kan behandles som om det var et modulert AC-signal (AC – vekselstrøm). Det demodulerer deretter signalet tilbake til et DC-signal på utgangen for å trekke ut det opprinnelige signalet.

På denne måten kan ekstremt små likestrømsignaler forsterkes, mens virkningene av uønskede vandringer kan minimaliseres til nær null. Pulsmodulasjonen separerer forskjøvet og lavfrekvent støy fra signalinnholdet ved å modulere feilene til høyere frekvenser, der de vil være mye lettere å minimere eller fjerne via filtrering.

Detaljer for chopping er lett å forstå i tidsdomenet (figur 2). Inngangssignalet (a) moduleres av chopping-signalet (b) til en firkantbølge. Dette signalet demoduleres (c) på utgangen (d) tilbake til likestrøm (DC). De iboende lavfrekvente feilene (rød bølgeform) i forsterkeren blir (c) modulert på utgangen til en firkantbølge, som deretter (d) filtreres av et lavpassfilter (LPF – low-pass filter).

Figur 2: Tidsdomenets bølgeformer for inngangssignalet V_IN (blå) og feil (rød) på (a) inngang, (b) V1, (c) V2 og (d) V_OUT for den grunnleggende chopping-teknikken. (Bildekilde: Analog Devices)

Frekvensdomeneanalyse er også instruktivt (figur 3). Inngangssignalet (a) moduleres til chopping-frekvensen (b), behandles av forsterkningstrinnet ved f_CHOP, demoduleres ved utgangen tilbake til likestrøm (DC) (c) og føres til slutt gjennom lavpassfilteret (LPF) (d). Forskyvningen og støykildene (rødt signal) til forsterkeren blir behandlet på DC gjennom forsterkningstrinnet, modulert til f_CHOP av de utgående chopping-bryterne (c) og til slutt filtrert av lavpassfilteret (d). Siden firkantbølge-modulasjon brukes, skjer modulasjonen rundt oddetall-multiplum av modulasjonsfrekvensen.

Figur 3: Spekteret i frekvensdomenet for signalet (blå) og feilene (rød) på (a) inngangen, (b) V1, (c) V2 og (d) V_OUT, er også et viktig perspektiv. (Bildekilde: Analog Devices)

Selvfølgelig er ingen konstruksjoner perfekte. Både tidsdomene- og frekvensdomenetallene viser at det vil være noen resterende feil på grunn av den modulerte støyen og forskyvningen, siden lavpassfilteret ikke er noen perfekt «murvegg».

Gå videre til automatisk nullstilling

Automatisk nullstilling er en dynamisk korreksjonsteknikk som fungerer ved å sample og trekke fra lavfrekvente feilkilder i en forsterker. En grunnleggende forsterker med automatisk nullstilling består av en forsterker med uunngåelig forskyvning og støy, som veksler for å rekonfigurere inngangen og utgangen, og en automatisk samplingskondensator med automatisk nullstilling (figur 4).

Figur 4: Den grunnleggende konfigurasjonen av forsterkeren med automatisk nullstilling viser bryterne som brukes til å rekonfigurere signalbanen, og dermed fange forsterkerens iboende feil på en kondensator. (Bildekilde: Analog Devices)

Under fasen for automatisk nullstilling, ϕ₁, blir kretsens inngang kortsluttet til en fellesspenning, og kondensatoren med automatisk nullstilling sampler inngangens forskyvningsspenning og støy. Det er viktig å merke seg at forsterkeren er «utilgjengelig» for signalforsterkning under denne fasen, siden den er opptatt med en annen oppgave. For at en forsterker med automatisk nullstilling skal fungere på en kontinuerlig måte, må to identiske kanaler overlappes i noe som kalles automatisk «pingpong»-nullstilling.

Under forsterkningsfasen, ϕ₂, blir inngangen koblet tilbake til signalbanen, og forsterkeren er igjen tilgjengelig for å forsterke signalet. Lavfrekvent støy, forskyvning og vandring kanselleres av automatisk nullstilling. Den gjenværende feilen er forskjellen mellom den nåværende verdien og den forrige samplingen av feilene.

Siden lavfrekvente feilkilder ikke endres mye fra ϕ₁ til ϕ₂, fungerer denne subtraksjonen godt. Den høyfrekvente støyen utjevnes (aliased) imidlertid ned til basisbåndet, og resulterer i en økning av hvitt-støy-gulvet (figur 5).

Figur 5: Støy-effekt-spektraltettheten er dannet av chopping og automatisk nullstilling, som sett (fra venstre til høyre) før automatisk nullstilling, etter automatisk nullstilling, etter chopping, samt etter chopping og automatisk nullstilling. (Bildekilde: Analog Devices)

Ytelsen til avanserte IC-forsterkere med automatisk nullstilling er imponerende. De er vanligvis bedre enn selv en «veldig god» nøyaktig operasjonsforsterker med én til to størrelsesordener i kritiske spesifikasjoner for forskyvning, vandring og støy. Så selv om tallene deres åpenbart ikke er null, er de ikke langt unna.

For eksempel er ADA4528 en enkanals skinne-til-skinne-forsterker (RTR – rail-to-rail) med nullpunktsvandring, som har en maksimal forskyvningsspenning på 2,5 mikrovolt (μV), en maksimal forskyvningsspenningsvandring på bare 0,015 μV/°C og en spenningsstøytetthet på 5,6 nanovolt per roten av Hertz (nV)/√Hz) (ved f = 1 kilohertz (kHz), forsterkning på +100) og 97 nV_peak-peak (for f = 0,1 Hz til 10 Hz, forsterkning på +100). ADA4522 er en annen enkanals RTR-forsterker med nullpunktsvandring som tilbyr en maksimal forskyvningsspenning på 5 μV, en maksimal forskyvningsspenningsvandring på 22 nV/°C, en spenningsstøytetthet på 5,8 nV/√Hz (typisk) og 117 nV_peak-peak fra 0,1 Hz til 10 Hz (typisk), sammen med en inngangsforspenningsstrøm på 50 picoampere (pA) (typisk).

Fenomener kan redusere «perfeksjon»

Selv om pulsering fungerer godt til å fjerne uønsket forskyvning, vandring og 1/f-støy, vil den ha iboende produksjon av uønskede AC-fenomener som utgangsrippel og forstyrrelser. På grunn av nøye undersøkelser av den underliggende årsaken til hvert fenomen, etterfulgt av bruken av avanserte eller sofistikerte topologier og behandlingsmetoder, har produkter med nullpunktsvandring fra Analog Devices gjort størrelsen på disse fenomenene mye mindre, og lokalisert dem ved høyere frekvenser, der de er lettere å filtrere ut på systemnivå. Disse fenomenene omfatter:

Rippel: En grunnleggende konsekvens av pulsmodulasjonsteknikken som flytter disse lavfrekvente feilene til oddetall-svingninger av chopping-frekvensen. Forsterkerkonstruktører kan redusere virkningene av rippel på mange måter, for eksempel via:

• Forskyvningstrimming ved produksjon: Den nominelle forskyvningen kan reduseres kraftig ved å utføre en innledende engangstrimming, men forskyvningsvandringen og 1/f-støyen forblir.
• Kombinasjonen av chopping og automatisk nullstilling: Forsterkeren blir først automatisk nullstilt, deretter ble det utført chopping for å oppmodulere den økte støyspektraltettheten (NSD) til en høyere frekvens (se forrige figur, som viste det resulterende støyspekteret etter chopping og automatisk nullstilling).
• Autokorreksjonstilbakekobling (ACFB – autocorrection feedback): En lokal tilbakekoblingssløyfe kan brukes til å detektere den modulerte rippelen ved utgangen og nullstille lavfrekvensfeilene ved kilden.

Forstyrrelser: Forbigående spenningsspisser som er forårsaket av uoverensstemmelse i ladningsinjeksjon fra chopping-bryterne. Størrelsen på disse feilene avhenger av mange faktorer, deriblant kildeimpedans og mengden ladningsuoverensstemmelse.

Spissene med forstyrrelser forårsaker ikke bare fenomener ved partall-oversvingningene til chopping-frekvensen, men skaper også en gjenværende likestrømsforskyvning som er proporsjonal med chopping-frekvensen. Figur 6 (venstre) illustrerer hvordan disse spissene ser ut inne i chopping-bryterne ved V1, og etter utgangens chopping-brytere ved V2. Ytterligere forstyrrelsesfenomener ved heltall-oversvingninger av chopping-frekvensen forårsakes av endelig forsterkerbåndbredde (figur 6, høyre).

Figur 6: Forstyrrelsesspenning (venstre) fra ladningsinjeksjon ved V1 (inne i chopping-bryterne) og V2 (utenfor chopping-bryterne); forstyrrelser (høyre) forårsaket av endelig forsterkerbåndbredde ved V1 og ved V2. (Bildekilde: Analog Devices)

Akkurat som med rippel, har forsterkerkonstruksjoner utviklet og implementert subtile, men effektive teknikker for å redusere virkningen av forstyrrelser i forsterkere med nullpunktsvandring.

• Ladeinjeksjonstrimming: En trimbar ladning kan injiseres i inngangene til en chopping-forsterker for å kompensere for uoverensstemmelsen mellom ladninger, noe som reduserer mengden inngangsstrøm på operasjonsforsterkerens innganger.
• Flerkanals chopping: Dette omfatter ikke bare størrelsen på forstyrrelsen, men flytter den også til en høyere frekvens, noe som gjør filtreringen enklere. Denne teknikken resulterer i hyppigere feil, men gir mindre størrelser enn kun chopping ved en høyere frekvens.

En tydelig demonstrasjon på flerkanals chopping kan ses i sammenligningen mellom en typisk forsterker med nullpunktsvandring (A) og ADA4522, som bruker denne teknikken til å redusere virkningen av forstyrrelser (figur 7).

Figur 7: På grunn av de mindre støyforstyrrelsene til ADA4522, som er et resultat av den modifiserte chopping-teknikken, reduseres spenningstoppene ned til støygulvet. (Bildekilde: Analog Devices)

Fra kun en forsterker til systemytelse

Effektiv bruk av bredbåndsforsterkere med nullpunktsvandring krever nøye overveielse av problemer, både på systemnivå og for forsterkeren. Forståelse av hvor de gjenværende frekvensfenomenene er i frekvensspekteret og innvirkning de har, er veldig viktig.

Chopping-frekvensen er vanligvis, men ikke alltid, angitt i databladet. Denne kan også fastsettes ved å se på støyspektrumdiagrammet. For eksempel angir databladet til ADA4528 eksplisitt en chopping-frekvens på 200 kHz. Den kan også ses i støytetthetsdiagrammet (figur 8).

Figur 8: Den angitte frekvensspesifikasjonen for chopping på 200 kHz i databladet for ADA4528 kHz, gjentas av støytetthetsgrafen for enheten. (Bildekilde: Analog Devices)

ADA4522-databladet angir at chopping-frekvensen er 4,8 megahertz (MHz), med en forskyvning og rippelkorreksjonssløyfe som opererer ved 800 kHz. Støytetthetsgrafen i figur 9 viser disse støyspissene. Det er også en støykul ved 6 MHz på grunn av den reduserte fasemarginen til sløyfen når den er i effektfaktor 1 (unity gain), men dette er ikke unikt for forsterkere med nullpunktsvandring.

Figur 9: Grafen for støytettheten til ADA4522 avslører ikke bare chopping-frekvensen, men også andre støyspisser fra andre diverse kilder. (Bildekilde: Analog Devices)

Konstruktører bør være oppmerksomme på at frekvensen som nevnes i databladet er et typisk tall som kan variere fra del til del. Derfor bør en systemkonstruksjon som krever to chopping-forsterkere for flere signalbehandlingskanaler bruke en dobbel forsterker. Dette skyldes at de to enkle forsterkerne kan ha litt ulike chopping-frekvenser, som igjen kan samvirke med hverandre og forårsake ytterligere IMD.

Andre konstruksjonsbetingelser på systemnivå, omfatter følgende:

• Samsvarende inngangskildeimpedans: Transientstrømforstyrrelser samhandler med inngangskildeimpedansen for å forårsake differensialspenningsfeil, noe som potensielt kan resultere i ytterligere fenomener ved flere multiplum av chopping-frekvensen. For å minimalisere denne potensielle feilkilden, bør hver inngang på en chopping-forsterker være konstruert slik at den ser den samme impedansen.
• IMD (intermodulation distortion – intermodulasjonsforvrengning) og alias-effektfenomener: Et inngangssignal i en chopping-forsterker kan blandes med chopping-frekvensen, f_CHOP, for å skape IMD ved sum- og differanseproduktene og oversvingningene: f_IN ± f_CHOP, f_IN ± 2f_CHOP, 2f_IN ± f_CHOP, og så videre. Disse IMD-produktene kan dukke opp i båndet som er av interesse, spesielt når f_IN nærmer seg chopping-frekvensen. Valget av en forsterker med nullpunktsvandring, som har en chopping-frekvens som er mye større enn inngangssignalets båndbredde, vil imidlertid i stor grad redusere dette problemet ved å sørge for at sannsynlige «forstyrrelser» ved frekvenser som er nær f_CHOP blir filtrert før dette forsterkertrinnet.

Chopping-fenomener kan også ha alias-effekt når forsterkerens utgang samples med en analog-til-digital-omformer (ADC). Spesifikasjonene til disse IMD-produktene avhenger av størrelsen på forstyrrelsene og rippelen, og kan variere fra del til del, så filtre for antialias-effekt må ofte inkluderes før ADC-en for å redusere denne IMD-en.

Ikke overraskende er filtrering svært viktig for å realisere det fulle potensialet til forsterkere med nullpunktsvandring, siden dette er den mest effektive måten å håndtere disse høyfrekvente fenomenene på for systemet. Et lavpassfilter mellom forsterkeren med nullpunktsvandring og ADC-en reduserer chopping-fenomener og unngår alias-effekter.

Forsterkere med nullpunktsvandring som har høyere chopping-frekvenser, reduserer kravene til lavpassfilteret (LPF) og muliggjør bredere signalbåndbredde. Avhengig av hvor mye «avvisning utenfor båndet» (out-of-band rejection) systemet og signalkjeden har behov for, kan det være nødvendig med et aktivt filter av høy klasse i stedet for et grunnleggende filter.

ADI har ulike ressurser for å sette fart på og forenkle filterkonstruksjon, inkludert en veiledning for filter med flere tilbakekoblinger (MT-220) og veiviseren på nett med et filterdesignverktøy. Det er gunstig å kjenne hvilke frekvenser disse chopping-fenomenene opptrer i, siden det vil bidra til å konstruere det nødvendige filteret (figur 10).

Figur 10: Tabellen oppsummerer støytypene og deres spektrale lokasjon for forsterkere med nullpunktsvandring, og er en nyttig veiledning år det gjelder å vurdere hvilken filtreringstype som er nødvendig og hvor. (Bildekilde: Analog Devices)

Få ut den siste lille biten med ytelse

Et av problemene som konstruktører møter når de bruker førsteklasses komponenter i forbindelse med nøyaktig systemdesign, er at gjenværende feilkilder nå blir betydelige. Feilkilder som tidligere var irrelevante eller usynlige, er nå begrensende faktorer når det gjelder å oppnå konkurransedyktig ytelse (det er analogt med når en elv tørker opp under en tørkeperiode og nye elveleier avsløres for første gang). Med andre ord blir tredjeordens feilkilder et problem når første- og andreordens feilkilder minimeres eller elimineres.

For eksempel, for forsterkere med nullpunktsvandring og deres analoge signalkanaler, er én potensiell kilde til forskyvningsfeil, Seebeck-spenningen på kretskortet. Denne spenningen oppstår ved koblingspunktet til to forskjellige metaller, og er en funksjon av temperaturen til koblingspunktet. De vanligste metallkoblingspunktene på et kretskort er lodding-til-kretskortbane og lodding-til-komponentledning.

Tenk på tverrsnittet til en overflatemontert komponent som er loddet til et kretskort (figur 11). En variasjon i temperatur over hele kortet, slik som forskjellen mellom TA1 og TA2, forårsaker en uoverensstemmelse i Seebeck-spenningene ved loddeforbindelsene, noe som resulterer i termiske spenningsfeil som forringer den ultralave forskyvningsspenningsytelsen til forsterkerne med nullpunktsvandring.

Figur 11: Etter hvert som avanserte forsterkere med nullpunktsvandring reduserer feilene betydelig, blir mindre synlige kilder, for eksempel de som skyldes termiske gradienter og Seebeck-spenning, en utfordring, og disse må håndteres. (Bildekilde: Analog Devices)

For å minimalisere disse termoelementvirkningene, bør motstandene være orientert slik at de ulike varmekildene varmes likt på begge sider. Inngangssignalbanene må inneholde samsvarende tall og komponenttyper der det er mulig, for å samsvare med antallet og koblingspunkttypene for termoelement. Hjelpekomponenter (dummy components), for eksempel 0-ohms-motstander, kan brukes til å samsvare den termoelektriske feilkilden (med ekte motstander i den motsatte inngangsbanen). Ved å plassere samsvarende komponenter i umiddelbar nærhet av hverandre, og orienterer dem på samme måte, vil resultatet være like Seebeck-spenninger, noe som dermed nøytraliserer termiske feil.

I tillegg kan det være nødvendig å bruke ledninger med samme lengde for å balansere varmekonduksjonen. Varmekildene på kortet bør holdes så langt unna forsterkerens inngangskrets som praktisk mulig. Et grunnplan kan bidra til å fordele varme over hele kortet for å opprettholde en konstant temperatur over kortet og redusere pickup av EMI-støy.

Konklusjon

Dagens IC-er med nullpunktsvandring tilbyr svært stabil og nøyaktig ytelse, noe som gjør dem egnet for å løse utfordringen med AFE-er i konstruksjoner i den virkelige verden som krever presisjon og konsistens når de fanger opp svært lavfrekvente signaler. De løser det langvarige problemet rundt nøyaktig forsterkning av disse signalene som er lik eller nær likestrøm (DC), samt mange situasjoner der bredere båndbredde også er nødvendig. Ved å slå sammen de to tilgjengelige teknikkene for å bygge slike forsterkere i én enkel IC – nærmere bestemt, chopper-basert stabilisering og automatisk nullstilling – kan konstruktører dra nytte av de positive egenskapene til hver tilnærming, noe som også i stor grad minimerer fenomenene og manglene forbundet med disse.