magyar elektronika

Hírlevél

Tájékozódjon legfrissebb cikkeinkről, híreinkről!

Valós email cím megadása kötelező

Invalid Input

Invalid Input

Arrow lidA cikk röviden ismerteti a chopper (szaggató), az automatikus nullázás és a zéró-drift problémáinak okait, valamint összefoglal néhány olyan technikát, amelyekkel az erősítők tervezői csökkenthetik azok hatását. Azt is elmagyarázza, hogyan lehet minimalizálni ezen AC hibajelenségek hatását egy precíziós jelláncban, beleértve a bemeneti forrásimpedancia illesztését, a szűrést és a frekvenciatervezést.

 

A zéró-drift erősítők a chopperelést, auto-nullázást vagy a két technika kombinációját használják a nemkívánatos alacsony frekvenciájú hibaforrások, például az ofszet és az 1/f zaj eltávolítására. Ezeket az erősítőket hagyományosan csak kis sávszélességű alkalmazásokban használják, mivel ezek a dinamikus technikák magasabb frekvenciákon zavarjeleket hoznak létre. A nagyobb sávszélességű megoldások is kihasználhatják a zéró driftű műveleti erősítők kiváló egyenáramú teljesítményét, amennyiben a rendszertervezés során figyelembe veszik a nagyfrekvenciás hibákat, például a hullámzást, a zavarokat és az intermodulációs torzítást (IMD).

 

Zéró-drift technikák

A chopperelés háttere
Az első, zéró driftű technika chopperelést, modulációt használ arra, hogy a hibák magasabb frekvenciákra történő modulálásával el tudja választani az ofszetet és az alacsony frekvenciájú zajt a jeltartalomtól.
Az 1. ábra azt mutatja, hogy a chopperelés (b) hogyan modulálja a bemeneti jelet (kék hullámforma) négyszöghullámmá, hogyan dolgozza fel ezt a jelet az erősítőben, majd (c) hogyan demodulálja a jelet a kimeneten vissza egyenfeszültséggé. Ezzel egyidejűleg az erősítőben lévő alacsony frekvenciájú hibákat (piros hullámforma) (c) a kimeneten négyszöghullámmá modulálják, amelyet aztán (d) az aluláteresztő szűrő (LPF) szűr.

 

444717 fig 01

1. ábra A jel (kék) és a hibák (piros) időtartománybeli hullámformái
(a) bemenetnél, (b) V1, (c) V2 és (d) VOUT esetén

 


Hasonlóképpen, a frekvenciatartományban a bemeneti jelet (2. ábra, kék jel) (b) a chopper-frekvenciára modulálják, az fCHOP erősítőfokozaton keresztül feldolgozzák, (c) a kimeneten demodulálják DC-re, és végül (d) áthaladnak az LPF-en. Az erősítő ofszet- és zajforrásait (2. ábra, piros jel) az erősítőfokozaton keresztül DC-n feldolgozzák, (c) a kimeneti chopper-kapcsolók fCHOP-ra modulálják, és végül (d) az LPF-en keresztül szűrik. Mivel négyszöghullámú modulációt alkalmaznak, a moduláció a modulációs frekvencia páratlan többszörösei körül történik.

 

444717 fig 02

2. ábra A jel (kék) és a hibák (piros) frekvenciatartománybeli spektruma
(a) bemenetnél, (b) V1, (c) V2 és (d) VOUT esetén

 


Amint az mind a frekvencia-, mind az időtartománybeli ábrákon látható, a modulált zaj és a drift miatt maradványhiba keletkezik, mivel az aluláteresztő szűrő (LPF) nem egy ideális „téglafal”.

Az auto-zéró
Az auto-zéró technika, az automatikus nullázás szintén egy dinamikus korrekciós technika, amely az erősítőben lévő alacsony frekvenciájú hibaforrások mintavételezésével és kivonásával történik.
A 3. ábra egy alapvető auto-zéró erősítő példáját mutatja. Ez egy ofszettel és zajjal rendelkező erősítőből, a bemenet és a kimenet újrakonfigurálására szolgáló kapcsolókból és egy automatikus nullázó mintavevő kondenzátorból áll.

 

444717 fig 03

3. ábra Egy alap auto-zéró erősítő

 


Az automatikus nullázási fázisban, ϕ1, az áramkör bemenete rövidre van zárva egy közös feszültséggel, és az automatikus nullázó kondenzátor mintavételezi a bemeneti ofszetfeszültséget és a zajt. Ebben a fázisban az erősítő nem áll rendelkezésre jelerősítésre. Ahhoz, hogy egy auto-zéró erősítő folyamatosan működjön, két azonos csatornát kell egymásba illeszteni. Ezt ping-pong auto-zérónak nevezik.
Az erősítési fázisban, ϕ2, a bemenet visszakapcsolódik a jelútba, és az erősítő ismét rendelkezésre áll a jel erősítésére. Az alacsony frekvenciájú zaj, az ofszet és a drift az automatikus nullázás révén megszűnik, és a fennmaradó hiba az aktuális érték és az előző minta hibáinak különbsége. Mivel az alacsony frekvenciájú hibaforrások nem sokat változnak ϕ1 és ϕ2 között, ez a kivonás jól működik. A nagyfrekvenciás zaj ezzel szemben aliasizálódik az alapsávig, és a 4. ábrán látható módon megnövekedett fehér zajszintet eredményez.
A zaj elnyomásához és a folyamatos működéshez szükséges további csatorna miatt a chopperelés lehet az önálló műveleti erősítőknél az energiatakarékosabb zéró-drift technika.

A chopperelés hibajelenségei
Bár a chopperelés jól működik a nemkívánatos ofszet, drift és 1/f zaj eltávolítására, kellemetlen váltakozó áramú jelenségeket, például kimeneti hullámzást és egyéb zavarokat eredményez. Az Analog Devices legújabb zéró-driftes termékei lépéseket tettek annak érdekében, hogy ezen hibajelenségek nagysága kisebb legyen, és magasabb frekvenciákon helyezkedjenek el, ami rendszerszinten megkönnyíti a szűrést.

A hullámzás okozta hibák
A hullámzás a chopper-modulációs technika alapvető következménye, amely ezeket az alacsony frekvenciájú hibákat a szaggatófrekvencia páratlan felharmonikusaira helyezi át. Az erősítő tervezői számos módszert alkalmaznak a hullámzás hatásainak csökkentésére, többek között ezeket:

  • kezdeti ofszettrimmelés – a névleges ofszet jelentősen csökkenthető egy egyszeri kezdeti trimmeléssel, de az ofszet-drift és az 1/f zaj megmarad;
  • a chopperelés és az auto-zéró kombinálása – az erősítő az automatikus nullázás és chopperelés után a megnövekedett zaj spektrális sűrűségét (NSD) magasabb frekvenciára modulálja. A 4. ábra mutatja az eredményül kapott zajspektrumot a szaggatás és az automatikus nullázás után;

 

444717 fig 04

4. ábra Zaj PSD: chopperelés vagy AZ előtt, AZ után, chopperelés után, valamint chopperelés és AZ után

 

 

  • autokorrekciós visszajelzés (ACFB) – egy helyi visszacsatolási hurok használható a modulált hullámzás érzékelésére a kimeneten, és az alacsony frekvenciájú hibák nullázására a forrásuknál.

Zavarjelenségek
A zavarok olyan átmeneti tüskék, amelyeket a chopper-kapcsolók töltésinjekciós eltérései okoznak. Ezeknek a zavaroknak a nagysága számos tényezőtől függ, többek között a forrás impedanciájától és a töltéseltérés mértékétől. A zavaró tüskék nemcsak a szaggatófrekvencia páros felharmonikusainál okoznak hibajelenségeket, hanem egy maradék DC ofszetet is létrehoznak, amely arányos a szaggatófrekvenciával. Az 5. ábra (balra) szemlélteti, hogyan néznek ki ezek a tüskék a V1 (a chopper-kapcsolókon belül) és a V2 (a kimeneti chopper-kapcsolók után) az 1. ábrán. A szaggatófrekvencia páros felharmonikusainál fellépő további zavarjelenségeket az erősítő véges sávszélessége okozza, amint azt az 5. ábra (jobbra) mutatja.

 

444717 fig 05

5. ábra Töltésinjekcióból származó feszültségtüskék V1-nél (a chopper-kapcsolókon belül) és V2-nél (a chopper-kapcsolókon kívül) az 1. ábrán balra;
a véges erősítő-sávszélesség által okozott zavarok V1-nél és V2-nél
az 1. ábrán jobbra

 


Hasonlóan a hullámzás jelenségéhez az erősítőtervezők rendelkeznek olyan technikákkal, amelyekkel csökkenthetik a zavarok hatását a zéró driftű erősítőkben:
Töltésinjekciós trimmelés: egy trimmelhető töltés injektálható a chopper-erősítő bemeneteibe a töltéseltérés kompenzálására, ami csökkenti a bemeneti áram mennyiségét a műveleti erősítő bemenetein.
Többcsatornás chopper: nemcsak a zavar nagyságát csökkenti, hanem magasabb frekvenciára is áthelyezi, ami megkönnyíti a szűrést. Ez a technika kisebb nagyságú, azonban gyakoribb zavarokat eredményez, mint az egyszerű, magasabb frekvencián történő chopperelés. A 6. ábra egy tipikus zéró driftű erősítőt hasonlít össze az ADA4522-vel, amely ezt a technikát használja a zavaró hatások jelentős csökkentésére.

 

444717 fig 06

6. ábra A feszültségcsúcsok az ADA4522-ben a zajszintre csökkennek

 

444717 fig 07

7. ábra Chopper-erősítő hibajelenségek, beleértve a felmodulált hullámzást és a töltésinjekciós hibát

  

 

Összefoglalva, a 7. ábra egy chopper-erősítő kimeneti feszültségét mutatja, amely tartalmazza:

  • a felfelé modulált ofszet és az 1/f zaj okozta hullámzást a szaggatófrekvencia páratlan többszörösénél,
  • a chopper-kapcsolók töltésinjekciós eltérése és az erősítő véges sávszélessége által okozott zavarokat a szaggatófrekvencia páros többszörösénél.

 

Rendszerszintű megfontolások

Amikor zéró-drift erősítőt használunk egy adatgyűjtési megoldásban, fontos, hogy megértsük, hol keletkeznek frekvencia-hibajelenségek, és ennek megfelelően tervezzünk velük.

A chopper-frekvencia az adatlapon
A chopper-frekvencia általában kifejezetten szerepel az adatlapon, de a zajspektrumábrák megtekintésével is meghatározható. Az ADI néhány legutóbbi zéró driftű erősítő-adatlapján látható, hogy a spektrumban hol fordulnak elő a hibajelenségek.
Az ADA4528 adatlapján az „Alkalmazási információk” nemcsak kifejezetten számokban adják meg a 200 kHz-es chopper-frekvenciát, hanem ez a zajsűrűség-diagramon is jól látható (8. ábra).

 

444717 fig 08

8. ábra Az ADA4528 zajsűrűségének ábrája

 


Az ADA4522 adatlapjának „Működés elmélete” részében a chopper-frekvencia 4,8 MHz, 800 kHz-es ofszet és hullámossági korrekciós hurokkal. A 9. ábra az ADA4522 zajsűrűségét mutatja, ahol a zajcsúcsok is láthatók. A 6 MHz-es frekvencián is van egy „zajdudor” – amikor egységnyi erősítésen van, a hurok csökkent fázistartománya miatt –, ami nem egyedülálló a zéró driftű erősítőknél.

 

444717 fig 09

9. ábra Az ADA4522 zajsűrűségének ábrája

 


Fontos szem előtt tartani, hogy az adatlapon leírt frekvencia egy tipikus szám, és alkatrészenként változhat. Emiatt, ha a rendszerben két chopper-erősítőre van szükség a differenciális jelkondicionáláshoz, tanácsos kettős erősítő használata, mert két egyes erősítőnek kissé eltérő chopper-frekvenciája lehet, amelyek kölcsönhatásba léphetnek egymással, és további intermodulációs torzítást okozhatnak.

A bemeneti forrásimpedancia illesztése
A bemeneti forrásimpedanciával kölcsönhatásba lépő tranziens áramingadozások differenciális feszültséghibákat okozhatnak, ami a chopper-frekvencia többszörösénél további hibákat eredményezhet. A 10. ábra tüskéket mutat az ADA4522 zajsűrűségábráján nem illeszkedő forrásellenállással (alul). E potenciális hibaforrás mérséklése érdekében a rendszer tervezőjének biztosítania kell, hogy a chopper-erősítő mindkét bemenete ugyanazt az impedanciát lássa (fent).

 

444717 fig 10

10. ábra Zaj illesztett (fent) és nem illesztett (lent) bemeneti forrásellenállással az ADA4522-ben

 

 

Az intermodulációs torzítás és mintavételezés hibája
A chopper-erősítő használata esetén a bemeneti jel keveredhet a chopper-frekvenciával (fCHOP), és intermodulációs torzítást (IMD) hozhat létre: fIN ± fCHOP, fIN ± 2 fCHOP, 2 fIN ± fCHOP, … Ezek az IMD termékek megjelenhetnek a kívánt sávban, különösen, ha az fIN közelít a chopper-frekvenciához. E probléma kiküszöbölése érdekében egy olyan zéró driftű erősítő választása szükséges, amelynek vágási frekvenciája jóval nagyobb, mint a bemeneti jel sávszélessége, és gondoskodni kell az fCHOP -hoz közeli frekvenciájú zavaró jelek erősítőfokozat előtti szűréséről.
Az erősítő kimenetének ADC-vel történő mintavételezésekor is keletkezhetnek chopper-hibajelenségek. A 11. ábra egy példa IMD-terméket mutat, amely a zavarfrekvencia mintavételezéséből adódik, amikor az ADC mintavételt végez. Ezek az IMD-termékek a zavar és a hullámzás nagyságától függenek, és alkatrészenként változhatnak. A jellánc tervezésekor az ADC előtt alul-mintavételezés elleni szűrőket kell beépíteni az IMD csökkentése érdekében.

 

444717 fig 11

11.ábra Egy példa az IMD-re, ahol az ADC egy zavart mintavételez, és fSAMPLE - 2 fCHOP-nál hibát okoz

 



A chopper-zavarjelenségek szűrése
Rendszerszinten az ilyen magas frekvenciájú zavarok kezelésének leghatékonyabb módja a szűrés. Egy LPF a zéró driftű erősítő és az ADC között csökkenti a chopper-zavarokat és megakadályozza a jellépcsősödést. Emiatt a magasabb chopper-frekvenciájú erősítők enyhítik az LPF követelményeit, és nagyobb jelsáv­szélességet tesznek lehetővé.
A 13. ábra példaként mutatja a chopper-zavarjelenségek mérséklésének hatását az ADA4522-vel a 12. ábrán bemutatott különböző technikák alkalmazásával: a zárt hurok erősítésének növelése, utószűrés és a visszacsatolási ellenállással párhuzamos kondenzátor használata.

 

444717 fig 12

12. ábra Erősítőkonfigurációk a zavarok szűrésére

 

444717 fig 13

13. ábra ADA4522 NSD a felül látható első­rendű szűrőmódszerek alkalmazásával (balra). Az erősítés növelése csökkenti az erősítő sávszélességét, ami megszűri a zaj­csúcsokat, RC-szűrő alkalmazásával (jobbra)

 


Attól függően, hogy a rendszernek mekkora sávon kívüli csillapításra van szüksége, magasabb rendű aktív szűrőre lehet szükség. Az ADI számos forrással rendelkezik a szűrőtervezéshez, beleértve a többszörös visszacsatolású szűrőbemutatót és az online szűrőtervezési eszközt.
A szükséges szűrő létrehozásában segíthet, ha ismeri azokat a frekvenciákat, amelyeken a chopper-zavarjelenségei előfordulnak. Az 1. táblázat mutatja a zéró driftű erősítők által okozott váltakozó áramú zavarjelenségek helyeit.

 

Table

1. táblázat A váltóáramú chopper-zavarjelenségek helyének összefoglalása

 

 

Következtetés

A zéró-drift erősítőkben előforduló nagyfrekvenciás hibajelenségek megértésével a rendszertervezők magabiztosabban használhatják a zéró-drift műveleti erősítőket szélesebb sávszélességű alkalmazásaikhoz. Ezek a rendszertervezési megfontolások a következők:

  • a forrás bemeneti impedanciájának illesztése a zéró driftű erősítő bemeneteihez,
  • kettős erősítő használata differenciális jelkondicionáláshoz,
  • az adatlapi zajspektrumban a hibajelenségek frekvenciájának meghatározása,
  • a szűrő tervezése úgy, hogy az csökkentse a dinamikus ofszet­csökkentési technikák által okozott magas frekvenciájú zavarjelenségek hatását,
  • a nagyfrekvenciás zavarjelenségek megértése és tervezése a frekvenciatartományban.

 

További műszaki és kereskedelmi információkat az Analog Devices hivatalos hazai forgalmazójától, az Arrow Electronics Hungary-től kaphatnak.

 

Szerző: Simon Basilico, tervezőmérnök – Analog Devices

 

Arrow Electronics Hungary
1138 Budapest, Váci út 140.
Bihari Tamás, Senior Field Application Engineer
E-mail: tbihari@arroweurope.com
Tel.: +36 30 748 0457
www.arrow.com