Përforcuesit Zero-Drift: Tani i Lehtë për t'u Përdorur në Qarqet me Precizion të Lartë

Një përforcues me lëvizje zero, siç sugjeron emri, është një përforcues me zhvendosje të tensionit të kompensuar shumë afër zeros. Ai përdor teknologjinë auto-zero ose copëtimin, ose një kombinim të të dyjave, për të vetë-korrigjuar vazhdimisht për gabimet e DC me kalimin e kohës dhe temperaturës. Kjo i mundëson amplifikatorit të arrijë kompensime të nivelit mikrovolt dhe zhvendosje jashtëzakonisht të ulëta të kompensimit. Prandaj, është e përshtatshme në mënyrë unike të përdoret në qarqet e kondicionimit të sinjalit me përfitim të lartë dhe performancë të saktë. Për shembull, një sensor (i tillë si një temperaturë, presion ose sensor i qelizave të ngarkesës) zakonisht prodhon një tension të daljes të nivelit të ulët dhe kështu kërkon që një përforcues të amplifikojë daljen e tij pa futur gabime shtesë. Përforcuesit zero-domethënie, të dizajnuar për tensionin dhe zhvendosjen ultra të ulët, refuzimin e lartë të modalitetit të zakonshëm, refuzimin e furnizimit me energji të lartë dhe zvogëlimin e zhurmës 1/f, janë një zgjedhje ideale për të arritur një nivel të lartë rezolucioni në një aplikim të kërkuar të sistemit, si p.sh. duke ndjerë, me një cikël të gjatë të jetës së produktit. Arkitektura Themelore e një Përforcuesi Zero-Drift Figura 1 tregon diagramin e qarkut të një përforcuesi bazë të helikopterit në konfigurimin e fitimit të unitetit. Rruga e fitimit të DC -së përbëhet nga një rrjet ndërprerës i prishjes së hyrjes (CHOPIN), një përforcues i parë transconductance (Gm1), një rrjet switch switch -dalës (CHOPOUT), një amplifikator i dytë transconductance (Gm2) dhe kondensatorë të kompensimit të frekuencës (C1 dhe C2). CHOP dhe CHOP 'kontrollohen nga një gjenerator i orës dhe funksionojnë për të korrigjuar tensionin e kompensuar të amplifikatorit DC (VOS). Figura 2 tregon diagramin e lidhur të kohës dhe tensionin e pritshëm të daljes (VOUT). Kur sinjali i orës CHOP është i lartë (Faza A), hyrja dhe dalja diferenciale e amplifikatorit Gm1 lidhen me rrugën e sinjalit pa përmbysje. Kjo rezulton në një tension dalës pozitiv, VOUT, për shkak të pranisë së VOS. Kur sinjali i orës CHOP është i lartë (faza B), hyrja dhe dalja e Gm1 lidhen me rrugën e sinjalit me përmbysje, duke rezultuar në një tension negativ dalës për shkak të VOS. Tensionet pozitive dhe negative të daljes nga Gm1 rezultojnë në një tension dalës të barabartë me VOS. Ky koncept i copëtimit në fushën e kohës është i ngjashëm me modulimin në fushën e frekuencës. Me fjalë të tjera, tensioni i kompensuar i Gm1 modulohet nga CHOPOUT në frekuencën e copëtimit. Nga ana tjetër, sinjali i hyrjes copëtohet dy herë nga CHOPIN dhe CHOPOUT. Kjo është e barabartë me sinjalin hyrës që modulohet lart dhe më pas modulohet poshtë në frekuencën e tij origjinale. Prandaj, sinjali hyrës kalon në dalje pa përmbysje. Tensionet pozitive dhe negative të daljes (± VOS) nga Gm1 shfaqen si valë të tensionit në VOUT (Figura 2). Për më tepër, orët CHOP dhe CHOP 'bashkohen me kunjat diferenciale të hyrjes përmes kapaciteteve parazitare të lidhura me çelsin. Kur orët ndryshojnë gjendjen, ngarkesat injektohen në kunjat diferenciale të hyrjes. Këto injeksione të ngarkesës përkthehen në defekte të tensionit të daljes përmes rezistencës së kufizuar të burimit të hyrjes. Madhësia dhe forma e defekteve varen nga sasia dhe përputhja e rezistencës së burimit të hyrjes dhe injektimet e ngarkesës në kunjat diferenciale të hyrjes. Këto valëzime dhe defekte dalëse prezantojnë artefakte ndërrimi që shfaqen si rritje e spektrit të zhurmës në frekuencën e copëtimit dhe frekuencat e tij të shumta të numrave të plotë. Gjithashtu, madhësia dhe frekuencat e artefakteve ndërruese ndryshojnë për secilin përforcues me lëvizje zero dhe nga njësia në njësi. Në këtë artikull, termi frekuencë e copëtimit dhe ndërrimit përdoret në mënyrë të ndërsjellë. Figura 1. Arkitekturë copëtuese. Figura 2. Prerja e diagramit të kohës. Tradicionalisht, amplifikatorët me devijim zero kanë zhurmë mjaft të madhe me brez të gjerë dhe frekuenca të ulëta ndërrimi, duke filluar nga disa kilohertz në disa dhjetëra kilohertz. Kjo kufizon përdorimin e tyre në aplikacione DC dhe nën 100 Hz, në mënyrë që frekuenca e ndërrimit të mbetet jashtë brezit të brezit të sinjalit të interesuar. Për aplikacionet që kërkojnë saktësi të lartë dhe zhvendosje të ulët në një brez më të lartë, është e rëndësishme të përdorni një përforcues me devijim zero me frekuencë më të lartë të ndërrimit. Në fakt, frekuenca e ndërrimit nganjëherë shihet si figura e meritës për përforcuesit me devijim zero. Me arkitektura të avancuara të projektimit, amplifikatorët më të rinj me devijim zero janë projektuar që të kenë artefakte më të vogla ndërruese në frekuenca shumë më të larta. Për shembull, përveç prishjes së tensionit të kompensuar në 4.8 MHz, ADA4522-2, një përforcues i tensionit të lartë, të dyfishtë, me lëvizje zero, përdor një qark të qarkut të korrigjimit të kompensimit dhe valëzimit të patentuar për të minimizuar artefaktet e ndërrimit. Cikli i korrigjimit funksionon në 800 kHz dhe funksionon për të shfuqizuar tensionin e kompensuar, ± VOS (siç tregohet në figurën 2). Reduktimi i OS VOS në 1% të vlerës së tij origjinale siguron një përmirësim prej 40 dB në artifaktin ndërrues. Kjo zvogëlon përpjekjen e projektuesit të sistemit për të arritur saktësinë e synuar të nivelit të sistemit. Mënyra më e lehtë për të zbuluar artifaktin e kalimit është duke vëzhguar spektrin e densitetit të zhurmës së tensionit të amplifikatorit. Figura 3 tregon grafikun e densitetit të zhurmës së tensionit të referuar të ADA4522-2. Vini re se Kanali B shfaq një rritje të spektrit të zhurmës në frekuencën e tij të ndërrimit prej 800 kHz. Kjo rritje e spektrit të zhurmës, siç përshkruhet në pjesën e mëparshme të këtij neni, është nënprodukt i mospërputhjes së injektimit të ngarkesës. Meqenëse mospërputhja varet pjesërisht dhe kanali në kanal, madhësia e pikave të zhurmës janë të ndryshme dhe jo të gjitha njësitë shfaqin rritjen e zhurmës. Si shembull, Kanali A i së njëjtës njësi nuk shfaq asnjë rritje të zhurmës në frekuencën e ndërrimit prej 800 kHz. Frekuencat e ndërrimit gjithashtu mund të ndryshojnë deri në një faktor prej 10% në 20% nga njësia në njësi për shkak të ndryshimit të frekuencës së oshilatorit të orkiluesit të orës në çip. Figura 3. Dendësia e zhurmës së tensionit ADA4522-2. Krahasimi i Zhurmës midis Përforcuesve të ndryshëm Zero-Drift Figura 4 tregon dendësinë e zhurmës së tensionit të referuar të hyrjes të tre amplifikatorëve të ndryshëm të tensionit të lartë me devijim të tensionit të lartë. Vini re se të tre amplifikatorët me zero lëvizje të testuara shfaqin një lloj artefakti ndërrues. Disa nga artefaktet ndërruese gjithashtu përsëriten në frekuencat e tij të shumta të numrave të plotë. Këto objekte ndërruese mund të jenë domethënëse dhe mund të paraqesin gabime në modelin e qarkut. Prandaj, është e rëndësishme të kuptoni ndikimin e tyre në një qark dhe të gjeni mënyra për të zbutur efektin. Nëse përforcuesi ka një frekuencë me qark të mbyllur që është më e lartë se frekuenca e ndërrimit, kjo rritje e spektrit të zhurmës do të integrohet në të gjithë gjerësinë e brezit dhe do të reflektohet në dalje. Jo vetëm kaq, kjo zhurmë e tensionit të referuar në hyrje do të fitohet nga fitimi i zhurmës së amplifikatorit. Për shembull, supozoni se amplifikatori është i konfiguruar në një fitim prej 100, dendësia e zhurmës së tensionit të referuar efektiv gjithashtu do të rritet me një faktor 100. Figura 4. Dendësia e zhurmës së tensionit të amplifikatorëve të ndryshëm me lëvizje zero. Figura 5. Zhurma e integruar e tensionit të daljes. Zhurma totale e rms që integrohet në daljen e një amplifikatori varet nga brezi i brezit të amplifikatorit. Zhurma e tensionit dalës largohet me gjerësinë e brezit në dispozicion; prandaj, sa më i lartë të jetë fitimi ose sa më i madh gjerësia e brezit, aq më i lartë është amplituda e zhurmës së amplifikatorit dalës. Figura 5 tregon një grafik të zhurmës së tensionit të daljes të integruar vs. frekuencave. Ky është një grafik i dobishëm për të kuptuar zhurmën totale të integruar në lidhje me një frekuencë. Si shembull, nëse gjerësia e brezit të amplifikatorit është e kufizuar në 100 kHz me anë të filtrimit, zhurma totale e daljes për shkak të zhurmës së natyrshme të tensionit të amplifikatorit mund të lexohet nga grafiku dhe do të jetë si më poshtë: Tabela 1. Përforcuesi i Zhurmës së Integruar Dalja Zhurma e daljes (µV rms) Zhurma Peak-në-Peak Dalja e zhurmës (µV pp) ADA4522-2 1.91 12.61 Përforcuesi A 3.33 21.98 Përforcuesi B 6.40 42.24 Përdorimi i një shumëzuesi të zakonshëm (i quajtur faktori i kreshtës) për të kthyer tensionin e rms në pik- tensioni në kulm, një vlerësim i zhurmës pik-në-pik është treguar në kolonën e tretë të Tabelës 1. Në një sistem 5 V, ADA4522-2 do të siguronte 18.6 bit rezolucion pik-në-pik, ndërsa Amplifikatori B siguron 16.8 bit rezolucion kulmin-kulmin. Të kesh një zhurmë totale më të ulët të integruar të daljes është gjithmonë e dëshirueshme pasi rrit raportin sinjal-zhurmë dhe mundëson një rezolucion më të lartë për të gjithë sistemin. Një gjë tjetër interesante që duhet vënë re në lidhje me Figurën 5 është se zhurma e integruar rritet me një funksion të ngjashëm me hapat në frekuencat e rritjes së zhurmës. Rritjet e zhurmës (me rritjen e energjisë së zhurmës), megjithëse të ngushta, i shtojnë ndjeshëm zhurmës së integruar të prodhimit të përgjithshëm. Ndërrimi i Artifakteve në Fushën e Kohës Shpesh, artefaktet e ndërrimit mund të shihen qartë në spektrin e densitetit të zhurmës së tensionit në fushën e frekuencës. Për të kuptuar sjelljen e bazuar në kohë të artifaktit ndërrues, mund të konfiguroni amplifikatorin në një konfigurim tampon me pinin joinvertues të bazuar dhe të monitoroni drejtpërdrejt daljen me një oshiloskop. Figura 6 tregon daljen tipike të dy amplifikatorëve me lëvizje zero. Vini re se Amplifikatori A shfaq rritje të tensionit të daljes në amplituda të ndryshme. Pikat përsëriten çdo 0.66 µs Kjo përputhet me thumbat e zhurmës që shihen në 1.51 MHz në Figurën 4. Nga ana tjetër, ADA4522-2 nuk shfaq ndonjë artifakt kalues ​​në fushën e kohës (grafik blu). Me fjalë të tjera, pikat e zhurmës që ekzistojnë janë nën dyshemenë e zhurmës të sistemit të matjes dhe nuk mund të zbulohen. Kjo i lejon projektuesit të përdorin ADA4522-2 në aplikacione të tilla si drejtimi i një ADC me besim se rritjet e zhurmës nuk do të jenë problem. Figura 6. Zhurma e tensionit të daljes në fushën e kohës. Filtrat për të zbutur Artifaktin e Ndërrimit Figura 7. Përforcues me zero lëvizje me konfigurimin e filtrit. Figura 8. Dendësia e zhurmës së tensionit të një përforcuesi me shtytje zero të fitimit të unitetit me filtrin post. Për të zvogëluar ndikimin e objekteve ndërruese, ekzistojnë disa metoda që mund të zbatohen. Këto metoda përfundimisht çojnë në kufizimin e gjerësisë së brezit të amplifikatorit në mënyrë që të jetë më pak se frekuenca e ndërrimit. Përdorimi i një filtri është një mënyrë efektive për të shtypur goditjet e zhurmës. Dizajni më i lehtë është të vendosni një rrjet rezistencë-kondensator në daljen e amplifikatorit për të krijuar një filtër me kalim të ulët (Figura 7A). Figura 8 tregon densitetin e zhurmës së tensionit të një përforcuesi me lëvizje zero me një filtër posti të projektuar në një ose dy dekada nën frekuencën e ndërrimit. Rritja e zhurmës në 800 kHz zvogëlohet nga 36 nV/√Hz (pa filtër postimi) në 4.1 nV/√Hz (filtri postues në 80 kHz), që është nën nivelin e zhurmës me brez të gjerë me frekuencë të ulët të amplifikatorit. Me një filtër posti të pozicionuar dy dekada nën frekuencën e ndërrimit (filtri i postimit në 8 kHz), rritja e zhurmës nuk është më e dukshme dhe ADA4522-2 duket si çdo përforcues tjetër tradicional. Disa aplikacione mund të mos tolerojnë të kenë një rrjet RC në daljen e amplifikatorit. Rryma e daljes së amplifikatorit që rrjedh përmes rezistencës së filtrit krijon një kompensim të tensionit që fut gabimin e daljes. Në këtë rast, dikush mund të zgjedhë të filtrojë goditjet e zhurmës duke vendosur një kondensator reagimi përgjatë lakut të reagimit (Figura 7 (b)). Figura 9 tregon densitetin e zhurmës së tensionit dalës të një amplifikatori të konfiguruar në fitim prej 10 pa filtrim vs. të kesh një filtër postimi ose një filtër reagimi të pozicionuar një dekadë nën frekuencën e ndërrimit. Konfigurimi i filtrit pas është më efektiv si një filtër me kalim të ulët sesa kondensatori i reagimit. Figura 9. Ndërrimi i artefaktit zvogëlohet me filtra. Përdorimi i Përforcuesve Zero-Drift në Ndihmën e Konfigurimit të Fitimit të Lartë Shumë dizajnerë kanë përdorur amplifikatorë me devijim zero, por nuk kanë vërejtur ndonjë artifakt kalues ​​në sistemin e tyre. Një arsye mund të jetë për shkak të konfigurimit të amplifikatorit. Përforcuesit zero-domethënie kanë lëvizje dhe kompensim të ulët, dhe më së shpeshti përdoren për të sinjalizuar një sinjal të sensorit të nivelit të ulët të amplitudës në një konfigurim me fitim të lartë, për shembull, një fitim prej 100 deri në 1000. Përdorimi i amplifikatorit në një konfigurim me fitim të lartë ka të njëjtin efekt si vendosja e një filtri me kalim të ulët në amplifikator. Me rritjen e fitimit, gjerësia e brezit zvogëlohet. Figura 10 ilustron sesi një konfigurim me fitim të lartë zbut efektin e ndërrimit. Me një fitim të rrethit të mbyllur prej 100, artifakti ndërrues vështirë se mund të shihet në komplotet e zhurmës. Figura 10. Rrjedha e brezit të amplifikatorit me fitim. Përfitimet e ADA4522-2 si një përforcues zero-domethënës Pajisjet analoge 'Përforcuesi më i ri operacional me zhvendosje zero, ADA4522-2, përdor një topologji të qarkut të patentuar dhe novatore për të arritur një frekuencë të lartë ndërrimi dhe për të minimizuar artefaktet e ndërrimit në krahasim me atë paraardhësit. Me një gjerësi brezi të fitimit të unitetit në 3 MHz dhe një frekuencë kalimi në 800 kHz dhe 4.8 MHz, një konfigurim fitimi prej 40 është i mjaftueshëm për të filtruar artefaktet e ndërrimit dhe eliminon nevojën për filtrim të jashtëm me kalim të ulët. Zhvendosja e tij e ulët e tensionit të kompensuar prej 22 nV/° C maksimale, zhurma e ulët në 5.8 nV/√Hz (fitimi i konfigurimit 100), rryma e paragjykimit të ulët të hyrjes në maksimum 150 pA, refuzimi i lartë i zakonshëm dhe refuzimi i furnizimit me energji e bëjnë atë një zgjedhje ideale për aplikime të sakta të tilla si peshimi, matja e rrymës, skajet e përparme të sensorit të temperaturës, dhënësit e qelizave të ngarkesës dhe urës dhe shumë aplikime të tjera kritike të zhvendosjes. Përfundime Përforcuesit zero-domethënie karakterizohen nga tensioni dhe zhvendosja shumë e ulët dhe janë një zgjedhje ideale për aplikimet që kërkojnë përforcim të saktë të sinjaleve të nivelit të ulët. Këtu janë disa njohuri kur përdorni një. Të gjithë përforcuesit me lëvizje zero shfaqin një lloj artefakti ndërrues dhe kjo më së shpeshti mund të zbulohet në komplotet e densitetit të zhurmës së tensionit. Madhësia e artifaktit kalues ​​ndryshon nga njësia në njësi. Frekuenca e ndërrimit mund të ndryshojë nga njësia në njësi deri në një faktor prej 20%. Artefaktet e ndërrimit mund të zbulohen në frekuencën dhe fushën e kohës. Në varësi të aplikacionit, ato mund të paraqesin gabime. Amplifikatorët me zero lëvizje shpesh përdoren në një konfigurim me fitim të lartë, ku gjerësia e brezit zvogëlohet dhe kështu shumë herë, artefaktet e ndërrimit nuk përbëjnë një problem. Shtë e rëndësishme të zbutni artefaktet e ndërrimit për të zvogëluar sasinë e gabimit të daljes. Aplikoni një filtër me kalim të ulët (filtri RC ose kondensatori i reagimit) për të hequr gjerësinë e brezit të amplifikatorit para frekuencës së ndërrimit për të shtypur artefaktet. Një frekuencë e lartë e ndërrimit thjeshton kërkesat e filtrit për një brez të gjerë, të dobishëm dhe pa objekte.

Lini një mesazh 

Lista mesazh