零飄移放大器巧妙的超射頻信號(hào),第2部分

現(xiàn)代的零飄移放大器提供了處理許多光學(xué)生物信號(hào)和接近0赫茲的物理世界信號(hào)所需的極低的漂移和噪聲性能。

切割的最終限制導(dǎo)致設(shè)計(jì)者研究另一種方法,即所謂的自動(dòng)零點(diǎn),這是特別可行的集成電路。這是一種動(dòng)態(tài)校正技術(shù),通過在放大器中采樣和減去低頻誤差源來工作。

一種基本的自動(dòng)零點(diǎn)放大器包括一個(gè)不可避免的偏移和噪聲放大器、重新配置輸入和輸出的電子開關(guān),以及一個(gè)自動(dòng)零點(diǎn)采樣電容器( 圖1 ).

圖1基本的自動(dòng)零點(diǎn)放大器配置顯示用于重新配置信號(hào)路徑的開關(guān),從而捕捉電容器上放大器固有的誤差.

在自動(dòng)零點(diǎn)階段( 1 電路的輸入被縮短到一個(gè)共同電壓,而自動(dòng)零電容器則采集輸入偏移電壓和噪聲。放大器在此階段用于信號(hào)放大的"不可用",因?yàn)樗涣硪粋€(gè)任務(wù)占用。為了克服這個(gè)問題,并允許一個(gè)自動(dòng)零放大器以連續(xù)的方式工作,必須在所謂的"乒乓"自動(dòng)零放大器中插入兩個(gè)相同的通道,這是用戶看不到的。

在放大階段 2 輸入連接到信號(hào)路徑,放大器也可以用來放大信號(hào)。低頻噪聲、偏移和漂移通過自動(dòng)自轉(zhuǎn)來抵消,剩余的誤差是電流值與先前樣本誤差的差。

因?yàn)榈皖l率誤差源并沒有很大的變化 1 至 2 ,這個(gè)減法很有效。然而,高頻噪音被稱為基帶,導(dǎo)致白噪音增加( 圖2 ).

圖2噪音功率譜密度由切割和自動(dòng)零點(diǎn)動(dòng)作決定,如在自動(dòng)零點(diǎn)前(左至右)、自動(dòng)零點(diǎn)后、切割后、自動(dòng)零點(diǎn)后.

與一個(gè)非常好的精密操作放大器相比,自動(dòng)零點(diǎn)器有多好?先進(jìn)的自動(dòng)零點(diǎn)IC放大器的性能是令人印象深刻的,他們通常比"非常好的"精密OP放大器的兩個(gè)數(shù)量級(jí)的臨界偏移,漂移,和噪音規(guī)格。因此,雖然它們的數(shù)字顯然不是零,但它們非常接近于零。

例如,Ada4528模擬設(shè)備是一個(gè)單通道、鐵路至軌道(rrr)零驅(qū)動(dòng)放大器,其特點(diǎn)是:偏移電壓為2.5微伏(最大),偏移電壓僅為0.015兆伏/攝氏度(同樣,最大),電壓噪聲密度為5.6納伏(nv)/N2O赫茲(F=1千赫茲,增益為+100)和97NV 尖峰 (F=0.1赫茲至10赫茲,增益+100)。另一個(gè)類似設(shè)備零飄移放大器是Ada4522,它提供了5VV(最大)的偏移電壓、22NV/°C(最大)的偏移電壓漂移、由0.1NV(典型)至10赫茲(典型)的5.8NV(典型)和117NV(典型)的電壓噪聲密度,以及50皮坎普(典型)的輸入偏置電流。

變得更好

通過仔細(xì)檢查和調(diào)查每一個(gè)微妙的錯(cuò)誤來源的根源,零流式集成電路的設(shè)計(jì)者已經(jīng)能夠設(shè)計(jì)出先進(jìn)的或復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和過程方法來克服它們。它們不僅減少了這些工件的數(shù)量,而且還把它們放在較高的頻率上,在系統(tǒng)級(jí)別上更容易過濾掉。第二級(jí)缺陷的來源有兩個(gè):

打皺 --將這些低頻誤差移動(dòng)到切頻率奇異諧波的切波調(diào)制技術(shù)的一個(gè)基本結(jié)果。

閃光藝術(shù)品 — 元素元素 由切割開關(guān)上的電荷注入失配引起的這些故障的嚴(yán)重程度取決于許多因素,包括源阻抗和電荷不匹配的數(shù)量。

有好消息和壞消息,因?yàn)檫@些令人印象深刻的零飄移放大器已經(jīng)開發(fā)。好消息是,與傳統(tǒng)的高精度放大器相比,漂移和偏移誤差已經(jīng)減少了數(shù)量級(jí)。壞消息是,就像當(dāng)一條河流在干旱中干涸,新的河床特征首次被揭示一樣,幾乎全部消除了一級(jí)和二級(jí)錯(cuò)誤,使得所有類型和來源的微小的、剩余的三級(jí)錯(cuò)誤源現(xiàn)在變得可見。

例如,對(duì)于零散放大器及其模擬信號(hào)通道,偏移誤差的一個(gè)潛在來源是在兩個(gè)不相似金屬的連接處出現(xiàn)的塞貝克(熱電偶)電壓,這是連接處溫度的函數(shù)。電路板上最常見的金屬連接點(diǎn)是焊接到板的痕跡和焊接到組件的鉛。

考慮焊接到印刷電路板( 圖3 )。板上溫度的變化,如T1與T2不同,會(huì)導(dǎo)致焊接接頭塞貝克電壓不匹配,從而導(dǎo)致熱電壓誤差,降低零浮式放大器的超低偏移電壓性能。

圖3由于先進(jìn)的零飄移放大器大大減少了它們的誤差,諸如熱梯度和塞貝克電壓等不太明顯的來源成為挑戰(zhàn),必須加以解決.

最小化熱電偶效應(yīng)需要特別注意看起來無關(guān)緊要的細(xì)節(jié)。例如,電阻應(yīng)該是定向的,使不同的熱源的兩端同樣溫暖。在可能的情況下,輸入信號(hào)路徑必須包含匹配的數(shù)目和組件類型,以匹配熱電偶連接的數(shù)目和類型。將匹配的元件放在較近的位置,并以相同的方式定位它們,將確保相同的塞貝克電壓,從而消除熱誤差。

板上的熱源應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離放大器輸入電路。此外,地面平面可以用來幫助在整個(gè)板上分配熱量,以保持整個(gè)板上的恒定溫度,從而減少EMI噪聲的接收。