מגברי אפס סחיפה: כעת קל לשימוש במעגלים דיוק גבוה

מגבר אפס סחיפה, כפי שהשם מרמז, הוא מגבר עם סחיפת מתח היסט קרוב מאוד לאפס. הוא משתמש בטכנולוגיית אפס אוטומטי או חיתוך, או שילוב של שניהם, כדי לתקן באופן רציף את שגיאות DC לאורך זמן וטמפרטורה. זה מאפשר למגבר להשיג היסטים ברמת מיקרו וולט והיסטים נמוכים במיוחד. לכן, הוא מתאים באופן ייחודי לשימוש במעגלי מיזוג אותות עם ביצועים גבוהים ודיוק. לדוגמה, חיישן (כגון חיישן טמפרטורה, לחץ או תא עומס) בדרך כלל מייצר מתח פלט ברמה נמוכה ולכן דורש מגבר כדי להגביר את הפלט שלו מבלי להכניס שגיאות נוספות. מגברי אפס סחיפה, המיועדים למתח וסחיפה נמוכים במיוחד, דחיית מצב משותף גבוה, דחיית אספקת חשמל גבוהה ורעש 1/f מופחת, הם בחירה אידיאלית להשגת רמה גבוהה של רזולוציה ביישום מערכת תובעני, כגון חישה, עם מחזור חיים ארוך של המוצר. אדריכלות בסיסית של מגבר אפס סחף איור 1 מציג את תרשים המעגלים של מגבר צ'ופר בסיסי בתצורת רווח אחדות. נתיב ההגברה של DC מורכב מרשת מתג חיתוך קלט (CHOPIN), מגבר טרנסמוליכות ראשון (Gm1), רשת מתגי חיתוך פלט (CHOPOUT), מגבר טרנסמוליכות שני (Gm2) וקבלי פיצוי תדרים (C1 ו-C2). CHOP ו- CHOP 'נשלטים על ידי גנרטור שעון ותפקוד לתיקון מתח קיזוז DC לא -רצוי (VOS). איור 2 מציג את דיאגרמת התזמון הקשורה ומתח המוצא הצפוי (VOUT). כאשר אות שעון ה- CHOP גבוה (שלב A), הכניסה והפלט הדיפרנציאלי של המגבר מחובר לנתיב האות ללא היפוך. התוצאה היא מתח יציאה חיובי, VOUT, בשל נוכחות VOS. כאשר אות השעון של CHOP גבוה (שלב B), הכניסה והפלט של Gm1 מחוברים לנתיב האות עם היפוך, וכתוצאה מכך מתח יציאה שלילי עקב VOS. מתחי המוצא החיוביים והשליליים מ- GM1 מביאים למתח יציאה שווה ל- ± VOS. מושג חיתוך זה בתחום הזמן דומה לאפנון בתחום התדרים. במילים אחרות, מתח הקיזוז של Gm1 מאופנן על ידי CHOPOUT לתדר החיתוך. מצד שני, אות הכניסה נחתך פעמיים על ידי CHOPIN ו- CHOPOUT. זה שווה ערך לאות הקלט שמאופנן למעלה ואז יורד למטה לתדר המקורי שלו. מכאן שאות הקלט מגיע לפלט ללא היפוך. מתח המוצא החיובי והשלילי (± VOS) מ- Gm1 מופיעים כאדוות מתח ב- VOUT (איור 2). בנוסף, השעונים CHOP ו-CHOP' מחוברים לפיני הקלט הדיפרנציאלי באמצעות קיבולים טפיליים הקשורים למתגים. כאשר השעונים משנים מצב, מטענים מוזרקים לתוך פיני הכניסה הדיפרנציאליים. זריקות מטען אלה מתורגמות לתקלות במתח המוצא באמצעות עכבות מקור הכניסה הסופי. גודל וצורה של התקלות תלויות בכמות ובהתאמה של עכבות מקור הכניסה והזרקות המטען בסיכות הכניסה הדיפרנציאליות. אדוות פלט ותקלות אלה מציגות חפצי מיתוג המופיעים כעלייה בספקטרום הרעש בתדר החיתוך ובתדרי המספר השלמים המרובים שלו. כמו כן, הגודל והתדרים של חפצי המיתוג שונים עבור כל מגבר אפס להיסחף ומיחידה ליחידה. במאמר זה, המונח חיתוך ותדירות מיתוג משמשים לסירוגין. האיור 1. חותך אדריכלות. האיור 2. דיאגרמת תזמון קוצצת. החלפת חפצים כפי שהם מוצגים בגליון נתונים באופן מסורתי, למגברי אפס הסחף יש רעש פס רחב למדי ותדרי מיתוג נמוכים, החל מכמה קילוהרץ ועד כמה עשרות קילוהרץ. זה מגביל את השימוש בהם ליישומים של dc ו- sub-100 הרץ כך שתדר המיתוג יישאר מחוץ לרוחב פס האות המעניין. ליישומים הדורשים דיוק גבוה והסחפה נמוכה ברוחב פס גבוה יותר, חשוב להשתמש במגבר אפס הסחף עם תדר מיתוג גבוה יותר. למען האמת, תדירות המיתוג נתפסת לעתים כדמות הכשרון של מגברי אפס סחיפה. עם ארכיטקטורות עיצוב מתקדמות, מגברי אפס חדשים יותר מתוכננים להיות בעלי פריטי מיתוג קטנים יותר בתדרים גבוהים בהרבה. לדוגמה, בנוסף לחיתוך מתח הקיזוז ב -4.8 מגה-הרץ, מגבר ADA4522-2, מגבר מתח גבוה, כפול, אפס להיסחף, משתמש במעגל לולאה של תיקון קיזוז ואדוות לפטון כדי למזער חפצי מיתוג. לולאת התיקון פועלת במהירות 800 קילוהרץ ומתפקדת לביטול מתח הקיזוז, ± VOS (כפי שמוצג באיור 2). הפחתת ±VOS ל-1% מהערך המקורי שלו מספקת שיפור של 40 dB בחפץ המיתוג. זה מקטין את המאמץ של מעצב המערכת להשיג דיוק ממוקד ברמת המערכת. הדרך הקלה ביותר לזהות את חפץ המיתוג היא על ידי התבוננות בספקטרום צפיפות רעשי המתח של המגבר. איור 3 מציג את גרף צפיפות הרעש של המתח המופנה לכניסה של ADA4522-2. שים לב שערוץ B מציג עלייה בספקטרום הרעש בתדר המיתוג שלו של 800 קילוהרץ. גידול זה בספקטרום הרעש, כפי שמתואר בחלק הקודם של מאמר זה, הוא תוצר הלוואי של חוסר התאמה בהזרקת המטען. מכיוון שההתאמה תלויה בין חלק לחלק ותעלה לערוץ, גודל קולות הרעש שונה ולא כל היחידות מציגות את ספייק הרעש. כדוגמה, ערוץ A של אותה יחידה אינו מציג קפיצי רעש בתדר המיתוג של 800 קילוהרץ. תדרי המיתוג עשויים להשתנות גם עד גורם של 10% עד 20% מיחידה ליחידה עקב שונות התדר של מתנד השעון על השבב. האיור 3. צפיפות רעש מתח ADA4522-2. השוואת רעשים בין מגברי אפס שונים איור 4 מציג את צפיפות רעשי המתח המתייחסים לקלט של שלושה מגברי אפס מתח גבוהים. שים לב שכל שלושת מגברי אפס הסחף שנבדקו מציגים סוג של חפצי מיתוג. חלק מחפצי ההחלפה חוזרים על עצמם גם בתדרים שלמים מרובים. חפצי מיתוג אלה עשויים להיות משמעותיים ויכולים להכניס שגיאות בתכנון המעגל. לפיכך, חשוב להבין את השפעתם על מעגל ולמצוא דרכים למתן את ההשפעה. אם למגבר יש תדר לולאה סגורה הגבוה מתדר המיתוג, עלייה זו בספקטרום הרעש תשתלב על פני רוחב הפס כולו ותשתקף ביציאה. לא רק זה, רעש המתח המופנה לכניסה יוגבר על ידי רווח רעש המגבר. לדוגמה, נניח שהמגבר מוגדר בהגבר של 100, צפיפות רעשי המתח האפקטיבית של היציאה האפקטיבית תגדל גם היא בפקטור של 100. האיור 4. צפיפות רעשי המתח של מגברי אפס סחף שונים. האיור 5. רעש מתח מוצא משולב. סך רעש ה- RMS המשולב ביציאה של מגבר תלוי ברוחב הפס של המגבר. רעש מתח היציאה מתגלגל עם רוחב הפס הזמין; לכן, ככל שהרווח גבוה יותר או רוחב הפס גבוה יותר, כך משרעתו של רעש מגבר הפלט גבוהה יותר. איור 5 מציג גרף של רעש מתח מוצא משולב לעומת רעש. תדר. זהו גרף מועיל להבנת סך הרעש המשולב ביחס לתדר. כדוגמה, אם רוחב הפס של המגבר מוגבל ל-100 קילו-הרץ באמצעות סינון, ניתן לקרוא את כל רעשי המוצא הנובעים מרעש מתח המגבר המובנה מהגרף ויהיה כדלקמן: טבלה 1. מגבר רעש משולב פלט רעש פלט (µV rms) רעש פלט שיא לשיא (µV pp) ADA4522-2 1.91 12.61 מגבר A 3.33 21.98 מגבר B 6.40 42.24 שימוש במכפיל משותף (הנקרא גורם צלע) להמיר מתח rms לשיא- מתח לשיא, אומדן רעש משיא לשיא מוצג בעמודה השלישית בטבלה 1. במערכת 5 V, ה- ADA4522-2 יספק 18.6 סיביות ברזולוציה משיא לשיא, בעוד מגבר B מספק 16.8 סיביות ברזולוציה משיא לשיא. בעל רעש פלט משולב כולל נמוך יותר תמיד רצוי מכיוון שהוא מגדיל את יחס האות לרעש ומאפשר רזולוציה גבוהה יותר לכל המערכת. דבר מעניין נוסף שיש לשים לב לגבי איור 5 הוא שהרעש המשולב גדל עם פונקציה דמוית מדרגה בתדרי ספייק הרעש. קולות הרעש (עם אנרגיות רעש מוגברות), אם כי צרות, מוסיפים משמעותית לרעש המשולב הכולל של התפוקה. החלפת חפצים בתחום הזמן לעתים קרובות ניתן לראות בבירור את חפצי ההחלפה בספקטרום צפיפות רעשי המתח בתחום התדרים. כדי להבין את ההתנהגות המבוססת על הזמן של חפץ המיתוג, ניתן להגדיר את המגבר בתצורת חיץ בעזרת סיכה לא-היפוך מוארקת ולפקח ישירות על הפלט בעזרת אוסצילוסקופ. איור 6 מציג את הפלט הטיפוסי של שני מגברי אפס להיסחף. שים לב כי מגבר A מציג קוצים מתח יציאה במשרות שונות. הדוקרנים חוזרים על עצמם כל 0.66 מיקרון זה תואם את דוקרני הרעש הנראים במהירות של 1.51 מגהרץ באיור 4. מצד שני, ה- ADA4522-2 אינו מציג חפץ מיתוג בתחום הזמן (גרף כחול). במילים אחרות, דוקרני הרעש הקיימים נמצאים מתחת לרצפת הרעש של מערכת המדידה ואינם ניתנים לזיהוי. זה מאפשר למעצבים להשתמש ב-ADA4522-2 ביישומים כמו נהיגה של ADC מתוך ביטחון שקוצי רעש לא יהוו בעיה. האיור 6. רעש מתח יציאה בתחום הזמן. מסננים להפחתת חפץ מיתוג איור 7. מגבר אפס להיסחף עם הגדרת מסנן. האיור 8. צפיפות רעש המתח של מגבר אפס סחף בעלות אחדות עם מסנן פוסט. כדי להפחית את ההשפעה של חפצי המעבר, ישנן כמה שיטות שניתן ליישם. שיטות אלה מובילות בסופו של דבר להגבלת רוחב הפס של המגבר כך שהוא פחות מתדר המיתוג. שימוש במסנן הוא דרך יעילה לדכא את קפיצות הרעש. העיצוב הקל ביותר הוא למקם רשת נגדים-קבלים ביציאת המגבר ליצירת מסנן מעבר נמוך (איור 7 א). איור 8 מציג את צפיפות רעשי המתח של מגבר אפס סחיפה עם מסנן פוסט שתוכנן בעשור אחד או שניים מתחת לתדר המיתוג. זינוק הרעש ב -800 קילוהרץ מפחית מ- 36 nV/√Hz (ללא מסנן פוסט) ל -4.1 nV/√Hz (מסנן פוסט ב -80 קילוהרץ), הנמצא מתחת לרמת רעש הפס הרחב בתדר נמוך של המגבר. עם פילטר פוסט הממוקם שני עשורים מתחת לתדר המיתוג (פוסט פילטר ב-8 קילו-הרץ), ספייק הרעש אינו נראה עוד וה-ADA4522-2 נראה כמו כל מגבר מסורתי אחר. יישומים מסוימים עשויים שלא לסבול שיש רשת RC במוצא המגבר. זרם פלט המגבר הזורם בנגד המסנן יוצר קיזוז מתח המציג שגיאת פלט. במקרה זה, ניתן לבחור לסנן את קפיצי הרעש על ידי הצבת קבל משוב על פני לולאת המשוב (איור 7 (ב)). איור 9 מציג את צפיפות רעש מתח המוצא של מגבר שהוגדר ברווח של 10 ללא סינון לעומת סינון. בעל מסנן פוסטים או מסנן משוב הממוקם עשור מתחת לתדר המיתוג. תצורת מסנן הפוסט יעילה יותר כמסנן מעבר נמוך מאשר קבל המשוב. האיור 9. חילוף חפץ מפחית עם מסננים. שימוש במגברי אפס הסחף בתצורת רווח גבוה עוזר הרבה מעצבים השתמשו במגברי אפס להיסחף, אך לא ראו חפצי מיתוג במערכת שלהם. סיבה אחת יכולה לנבוע מהתצורה של המגבר. למגברי אפס הסחף יש סחף וקיזוז נמוכים, והם משמשים לרוב לאות מצב של חיישן משרעת ברמה נמוכה בתצורת רווח גבוה של, למשל, רווח של 100 עד 1000. לשימוש במגבר בתצורת רווח גבוה יש את אותה אפקט כמו הנחת מסנן מעביר נמוך על המגבר. ככל שהרווח עולה, רוחב הפס יורד. איור 10 ממחיש כיצד תצורת רווח גבוה מפחיתה את אפקט המיתוג. עם רווח בלולאה סגורה של 100, כמעט ולא ניתן לראות את חפץ המיתוג במגרשי הרעש. האיור 10. גלגול רוחב הפס של המגבר עם רווח. היתרונות של ADA4522-2 כמגבר אפס-Drift Analog Devices, המגבר התפעולי החדש ביותר של Zero-Drift, ADA4522-2, משתמש בטופולוגיית מעגלים מוגנת פטנט וחדשנית כדי להשיג תדר מיתוג גבוה ולמזער את חפצי המיתוג בהשוואה לו. אָבוֹת קַדמוֹנִים. עם רוחב פס של רווח אחד ב-3 מגה-הרץ ותדר מיתוג ב-800 קילו-הרץ ו-4.8 מגה-הרץ, תצורת רווח של 40 מספיקה כדי לסנן את חפצי המיתוג, ומבטלת את הצורך בסינון חיצוני במעבר נמוך. סחף המתח הנמוך שלו של 22 nV/°C מקסימום, רעש נמוך ב-5.8 nV/√Hz (הגבר של 100 תצורה), זרם הטיית קלט נמוך ב-150 pA מקסימום, דחיית מצב משותף גבוה ודחיית ספק הכוח הופכים אותו ל- בחירה אידיאלית עבור יישומים מדויקים כגון סולם שקילה, חישת זרם, קצוות קדמיים של חיישני טמפרטורה, מתמרי תא עומס וגשר, ועוד יישומים קריטיים לסחיפה. מסקנות מגברי אפס סחיפה כוללים מתח וסחיפה נמוכים מאוד ומהווים בחירה אידיאלית עבור יישומים הדורשים הגברה מדויקת של אותות ברמה נמוכה. להלן כמה תובנות בעת שימוש באחת. כל מגברי האפס סחיפה מציגים סוג של חפצי מיתוג, וניתן לזהות זאת לרוב במגרשי צפיפות רעש המתח. גודל חפץ המיתוג שונה מיחידה ליחידה. תדירות המעבר עשויה להיות שונה מיחידה ליחידה עד לפקטור של 20%. ניתן לזהות חפצי מיתוג בתדירות ובתחום הזמן. בהתאם ליישום, הם עלולים להציג שגיאות. מגברי אפס הסחף משמשים לעתים קרובות בתצורת רווח גבוה, כאשר רוחב הפס מצטמצם ולכן פעמים רבות, חפצי החלפה אינם מהווים בעיה. חשוב להקטין את חפצי המיתוג כדי להפחית את כמות שגיאת הפלט. החל מסנן במעבר נמוך (מסנן פוסט RC או קבל משוב) כדי לגלגל את רוחב הפס של המגבר לפני תדר המעבר כדי לדכא את החפצים. תדר מיתוג גבוה מפשט את דרישות המסנן לרוחב פס רחב, שימושי וללא חפצים.

השאר הודעה 

רשימת הודעות