Null-triivvõimendid: nüüd on ülitäpsetes vooluringides lihtne kasutada

Null-triivi võimendi, nagu nimigi ütleb, on võimendi, mille nihkepinge on nullilähedane. See kasutab automaatse nullimise või tükeldamise tehnoloogiat või mõlema kombinatsiooni, et pidevalt korrigeerida alalisvoolu vigu aja jooksul ja temperatuuril. See võimaldab võimendil saavutada mikrovolti taseme nihkeid ja äärmiselt madalat nihet. Seetõttu sobib see ainulaadselt kasutamiseks suure võimendusega ja täpse jõudlusega signaali konditsioneerimise ahelates. Näiteks andur (nagu temperatuuri-, rõhu- või koormusandur) toodab tavaliselt madalat väljundpinget ja nõuab seetõttu võimendit, et võimendada selle väljundit ilma täiendavaid vigu tekitamata. Null-triivi võimendid, mis on loodud ülimadala nihkepinge ja triivi, kõrge ühisrežiimi tagasilükkamise, suure toiteallika tagasilükkamise ja 1/f müra vähendamiseks, on ideaalne valik kõrge resolutsiooni saavutamiseks nõudlikes süsteemirakendustes, näiteks toote pika elutsükliga. Null-triivvõimendi põhiarhitektuur Joonisel 1 on kujutatud põhilise hakkimisvõimendi lülitusskeem ühtsuse võimenduse konfiguratsioonis. Alalisvoolu võimendustee koosneb sisend -tükelduslülitite võrgustikust (CHOPIN), esimesest juhtivvõimendist (Gm1), väljundi tükelduslülitite võrgustikust (CHOPOUT), teisest transjuhtevõimsuse võimendist (Gm2) ja sageduskompensatsiooni kondensaatoritest (C1 ja C2). CHOP ja CHOP 'juhitakse kellageneraatori abil ja need parandavad soovimatu võimendi alalispinge nihkepinget (VOS). Joonisel 2 on näidatud seotud ajastusskeem ja eeldatav väljundpinge (VOUT). Kui CHOP kella signaal on kõrge (A faas), ühendatakse võimendi Gm1 diferentsiaalne sisend ja väljund signaaliteega ilma ümberpööramiseta. Selle tulemuseks on positiivne väljundpinge VOUT VOS -i olemasolu tõttu. Kui CHOP -kella signaal on kõrge (B -faas), ühendatakse Gm1 sisend ja väljund inversiooniga signaaliteega, mille tulemuseks on negatiivne väljundpinge VOS -i tõttu. Gm1 positiivse ja negatiivse väljundpinge tulemuseks on ± VOS väljundpinge. See tükeldamiskontseptsioon ajavaldkonnas on sarnane sagedusvaldkonna modulatsiooniga. Teisisõnu, Gm1 nihkepinge moduleeritakse CHOPOUT poolt hakkimissagedusele. Seevastu CHOPIN ja CHOPOUT lõikavad sisendsignaali kaks korda. See on samaväärne sisendsignaali üles- ja seejärel algsuunalise sagedusega modulatsiooniga. Seega siseneb sisendsignaal väljundisse ilma ümberpööramiseta. Gm1 positiivsed ja negatiivsed väljundpinged (± VOS) kuvatakse VOUT -i pingelainetena (joonis 2). Lisaks on CHOP ja CHOP' kellad ühendatud diferentsiaalsisendi tihvtidega lülititega seotud parasiitmahtuvustega. Kui kellad muudavad olekut, süstitakse laenguid diferentsiaalsisendisse. Need laengu süstid teisendatakse väljundpinge tõrgeteks sisendallika piiratud takistuste kaudu. Tõrgete suurus ja kuju sõltuvad sisendallika impedantside suurusest ja sobivusest ning laadimissüstidest diferentsiaalsisendi tihvtidel. Need väljundi lainetused ja tõrked toovad sisse lülitusartefakte, mis ilmnevad müraspektri suurenemisena tükeldamissagedusel ja selle mitme täisarvu sagedustel. Samuti erinevad lülitusartefaktide suurus ja sagedused iga null-triivi võimendi ja üksuse kohta. Selles artiklis kasutatakse termineid tükeldamine ja lülitussagedus vaheldumisi. Joonis 1. Tükeldav arhitektuur. Joonis 2. Tükeldamise ajadiagramm. Andmelehel näidatud artefaktide vahetamine Traditsiooniliselt on null-triivvõimenditel üsna suur lairiba müra ja madalad lülitussagedused, ulatudes mõnest kilohertsist mõnekümne kilohertsini. See piirab nende kasutamist alalisvoolu ja alla 100 Hz rakendustega, nii et lülitussagedus jääb huvipakkuvast signaali ribalaiusest välja. Rakenduste puhul, mis nõuavad suure täpsusega ja madalat triivi suuremal ribalaiusel, on oluline kasutada suurema lülitussagedusega null-triiviga võimendit. Tõepoolest, lülitussagedust peetakse mõnikord nulltriiviga võimendite eeliseks. Täiustatud projekteerimisarhitektuuriga on uuemad null-triivvõimendid kavandatud väiksemate lülitusartefaktidega palju kõrgematel sagedustel. Näiteks lisaks nihkepinge lõikamisele sagedusel 4.8 MHz kasutab kõrgepingega kahekordne null-triivvõimendi ADA4522-2 patenteeritud nihke- ja pulsatsioonikorrektsiooniahela ahelat, et minimeerida lülitusartefakte. Parandusahel töötab sagedusel 800 kHz ja toimib nihkepinge ± VOS nullimiseks (nagu näidatud joonisel 2). ± VOS -i vähendamine 1% -ni algsest väärtusest tagab lülitusartikli paranemise 40 dB võrra. See vähendab süsteemidisaineri jõupingutusi süsteemitaseme sihipärase täpsuse saavutamiseks. Lihtsaim viis lülitusartikli tuvastamiseks on võimendi pinge müra tiheduse spektri jälgimine. Joonisel 3 on näidatud ADA4522-2 sisendpinge müra tiheduse graafik. Pange tähele, et kanal B suurendab lülitussagedusel 800 kHz müraspektrit. See müraspektri suurenemine, nagu on kirjeldatud käesoleva artikli varasemas osas, on laengu süstimise mittevastavuse kõrvalsaadus. Kuna ebakõla on osaliselt ja kanalilt kanalile sõltuv, on müratõusude suurus erinev ja kõigil seadmetel pole mürataset. Näitena ei näita sama seadme kanal A lülitussagedusel 800 kHz müra. Lülitussagedused võivad kiibil oleva taktostsillaatori sageduse varieerumise tõttu seadmeteti erineda kuni 10–20%. Joonis 3. ADA4522-2 pinge müra tihedus. Müra võrdlus erinevate null-triivvõimendite vahel Joonisel 4 on näidatud kolme erineva esiserva kõrgepinge null-triivvõimendi sisendpinge müra tihedus. Pange tähele, et kõigil kolmel testitud null-triivvõimendil on mingid lülitusartefaktid. Mõned lülitusartefaktid korduvad ka mitme täisarvuga sagedustel. Need lülitusartefaktid võivad olla märkimisväärsed ja võivad tuua ahela kujunduses vigu. Seetõttu on oluline mõista nende mõju ahelale ja leida võimalusi selle leevendamiseks. Kui võimendi suletud ahela sagedus on lülitussagedusest kõrgem, integreeritakse see müraspektri suurenemine kogu ribalaiuse ulatuses ja kajastub väljundis. Vähe sellest, seda sisendpinge müra suurendab võimendi müra võimendus. Oletame näiteks, et võimendi on konfigureeritud võimendusega 100, suureneks ka efektiivse väljundpinge müra tihedus 100 korda. Joonis 4. Erinevate null-triivvõimendite pinge müra tihedus. Joonis 5. Integreeritud väljundpinge müra. Võimendi väljundisse integreeritud kogu efektiivmüra sõltub võimendi ribalaiusest. Väljundpinge müra rullub olemasoleva ribalaiusega maha; seetõttu, mida suurem võimendus või suurem ribalaius, seda suurem on väljundvõimendi müra amplituud. Joonisel 5 on kujutatud integreeritud väljundpinge müra graafik vs. sagedus. See on kasulik graafik kogu integreeritud müra mõistmiseks seoses sagedusega. Näiteks kui võimendi ribalaius on filtreerimise abil piiratud 100 kHz-ga, saab võimendile omasest pingemürast tingitud kogu väljundmüra lugeda graafikult ja see on järgmine: Tabel 1. Väljundi integreeritud müravõimendi Väljundmüra (µV rms) Maksimaalne väljundmüra (µV pp) ADA4522-2 1.91 12.61 Võimendi A 3.33 21.98 Võimendi B 6.40 42.24 Kasutades ühist kordajat (nn hargnemiskoefitsienti), teisendatakse efektiivpinge tipp- pinge-tippu, on tabeli 1 kolmandas veerus näidatud tipp-tipp-müra hinnang. 5 V süsteemis annaks ADA4522-2 tipp-tipp-eraldusvõimega 18.6 bitti, võimendi B aga tipp-tipp-eraldusvõimega 16.8 bitti. Madalam integreeritud väljundmüra on alati soovitav, kuna see suurendab signaali ja müra suhet ning võimaldab kogu süsteemile suuremat eraldusvõimet. Veel üks huvitav asi, mida tuleb joonise 5 puhul märkida, on see, et integreeritud müra suureneb astmelise funktsiooniga müratippude sagedustel. Müratõusud (suurenenud müraenergiaga), ehkki kitsad, suurendavad oluliselt kogu väljundi integreeritud müra. Artefaktide vahetamine ajadomeenis Sageli võib lülitusartikleid selgelt näha pinge müra tiheduse spektris sagedusalas. Lülitusartikli ajapõhise käitumise mõistmiseks saab võimendi konfigureerida puhverkonfiguratsioonis, kui mitteinverteeriv tihvt on maandatud, ja otse väljundit ostsilloskoobi abil jälgida. Joonis 6 näitab kahe null-triivi võimendi tüüpilist väljundit. Pange tähele, et võimendil A on väljundpinge hüppeid erinevates amplituudides. Naelad korduvad iga 0.66 µs järel. See vastab joonisel 1.51 näidatud sagedusele 4 MHz. Teisest küljest ei näita ADA4522-2 ajapiirkonnas ühtegi lülitusartefakti (sinine graafik). Teisisõnu, olemasolevad müratõusud asuvad mõõtesüsteemi müra all ja neid ei saa tuvastada. See võimaldab disaineritel kasutada ADA4522-2 sellistes rakendustes nagu ADC juhtimine, olles kindel, et müra ei tekita probleeme. Joonis 6. Väljundpinge müra ajapiirkonnas. Filtrid lülitusartefakti leevendamiseks Joonis 7. Null-triivi võimendi filtri seadistusega. Joonis 8. Ühtsuse võimendusega null-triivvõimendi pinge müra tihedus postfiltriga. Lülitusartefaktide mõju vähendamiseks saab rakendada paar meetodit. Need meetodid viivad lõpuks võimendi ribalaiuse piiramiseni nii, et see oleks väiksem kui lülitussagedus. Filtri kasutamine on tõhus viis müratippude summutamiseks. Lihtsaim disain on asetada takisti-kondensaatori võrk võimendi väljundisse, et luua madalpääsfiltrit (joonis 7A). Joonisel 8 on näidatud null-triivvõimendi pinge müra tihedus koos postfiltriga, mis on projekteeritud üks või kaks aastakümmet alla lülitussageduse. Müratase 800 kHz juures väheneb 36 nV/√Hz (ilma järelfiltrita) 4.1 nV/√Hz (järefiltri juures 80 kHz), mis on võimendi madala sagedusega lairiba müratasemest madalamal. Kui postfilter on paigutatud kaks aastakümmet alla lülitussageduse (8 filtri sagedusel), pole müratipp enam nähtav ja ADA4522-2 näeb välja nagu iga teine ​​traditsiooniline võimendi. Mõned rakendused ei pruugi taluda RC-võrgu olemasolu võimendi väljundis. Võimendi väljundvool, mis voolab läbi filtritakisti, loob pinge nihke, mis tekitab väljundvea. Sel juhul saab müra naelu filtreerida, asetades tagasisideahelasse tagasiside kondensaatori (joonis 7 (b)). Joonis 9 näitab võimendi väljundpinge müra tihedust, mis on konfigureeritud võimendusega 10 ilma filtreerimiseta vs. postfiltri või tagasisidefiltri paigutamine kümme aastat alla lülitussageduse. Postfiltri konfiguratsioon on madalpääsfiltrina tõhusam kui tagasiside kondensaator. Joonis 9. Filtritega väheneb artefakti vahetamine. Null-triivvõimendite kasutamine suure võimendusega konfiguratsioonis aitab Paljud disainerid on kasutanud null-triiviga võimendeid, kuid ei ole oma süsteemis ühtegi lülitusartikli täheldanud. Üks põhjus võib olla võimendi konfiguratsioon. Null-triivi võimenditel on madal triiv ja nihe ning neid kasutatakse kõige sagedamini madala taseme amplituudianduri signaali signaalimiseks suure võimendusega konfiguratsioonis, näiteks võimendusega 100 kuni 1000. Võimendi kasutamine suure võimendusega konfiguratsioonis annab sama efekti kui madalpääsfiltri paigaldamine võimendile. Kui võimendus suureneb, väheneb ribalaius. Joonis 10 illustreerib, kuidas suure võimendusega konfiguratsioon leevendab lülitusefekti. Suletud ahela võimendusega 100 pole lülitusartefakti müragraafikutel peaaegu näha. Joonis 10. Võimendi ribalaiuse vähendamine koos võimendusega. ADA4522-2 kui null-triivvõimendi analoogseadmete uusima null-triiviga operatsioonivõimendi ADA4522-2 eelised kasutavad patenteeritud ja uuenduslikku vooluringi topoloogiat, et saavutada kõrge lülitussagedus ja minimeerida lülitusartikleid võrreldes sellega eelkäijad. Ühtsuse võimenduse ribalaiusega 3 MHz ja lülitussagedusega 800 kHz ja 4.8 MHz on lülitusartefaktide filtreerimiseks piisav võimenduskonfiguratsioon 40 ja välistab vajaduse välise madalpääsfiltri järele. Selle madal nihkepinge triiv on maksimaalselt 22 nV/° C, madal müratase 5.8 nV/√Hz (võimendus 100 konfiguratsiooni), madal sisendpingevool maksimaalselt 150 pA, kõrge ühisrežiimi tagasilükkamine ja toiteallika tagasilükkamine muudavad selle ideaalne valik täpseteks rakendusteks, nagu kaalumisskaala, vooluandur, temperatuurianduri esiosad, koormusandurid ja sillaandurid ning palju muud triivikriitilisi rakendusi. Järeldused Null-triivi võimenditel on väga madal nihkepinge ja triiv ning need on ideaalne valik rakendustele, mis nõuavad madala taseme signaalide täpset võimendamist. Siin on paar teadmist selle kasutamisel. Kõigil null-triivi võimenditel on mingid lülitusartefaktid ja seda saab kõige sagedamini tuvastada pinge müra tiheduse graafikutel. Lülitusartikli suurus erineb üksuste kaupa. Lülitamissagedus võib seadmetel erineda kuni 20%. Lülitusartikleid saab tuvastada sageduse ja aja domeenis. Sõltuvalt rakendusest võivad need esitada vigu. Null-triivi võimendeid kasutatakse sageli suure võimendusega konfiguratsioonis, kus ribalaiust vähendatakse ja seega mitu korda ei tekita lülitusartefaktid probleemi. Väljundvigade vähendamiseks on oluline lülitusartikleid leevendada. Artefaktide summutamiseks rakendage võimendi ribalaiuse eemaldamiseks enne lülitussagedust madalpääsfilter (RC-postifilter või tagasiside kondensaator). Kõrge lülitussagedus lihtsustab filtrite nõudmisi laia, kasuliku ja artefaktivaba ribalaiuse jaoks.

Jäta sõnum 

Sõnumite nimekiri