Архитектура и применение усилителя с нулевым дрейфом ADA4528-1, имеющего минимальный шум

Датчики обычно обладают малым выходным напряжением, для работы с которым необходимо, чтобы схема обработки сигнала имела большой коэффициент усиления и хорошие статические характеристики. В то же время напряжение сдвига, дрейф и шум 1/f усилителей вызывают возникновение погрешностей, особенно при измерении слабых напряжений по постоянному току или на низкой частоте. Поэтому для обеспечения оптимального качества при усилении сигнала крайне важно минимизировать напряжение сдвига и дрейф, а также исключить шум 1/f. Усилители с нулевым дрейфом, при проектировании которых преследуется задача достижения крайне малых значений напряжения сдвига и дрейфа, высокого коэффициента усиления при разомкнутой цепи обратной связи, высокого подавления пульсаций по цепи напряжения питания, высокого ослабления синфазного сигнала и отсутствия шума 1/f, дают разработчикам определенные преимущества при создании прецизионных систем.

Автоматическая коррекция нуля или стабилизация прерыванием?

Усилитель с нулевым дрейфом, как подразумевает его название, обладает близким к нулю дрейфом напряжения сдвига. Такой усилитель производит непрерывную саморегулировку любых статических погрешностей, обеспечивая как можно более точное усиление. Усилитель с нулевым дрейфом может быть разработан на основе двух разных методов: это автоматическая коррекция нуля и стабилизация прерыванием. Каждый из этих методов обладает своими достоинствами и недостатками и имеет свою область применения.

Схема с автоматической коррекцией нуля основана на методе выборки и хранения и имеет большее шумовое напряжение из-за «сворачивания» шума в основную полосу вследствие эффекта наложений.

В свою очередь, метод стабилизации прерыванием основан на модуляции и демодуляции сигнала. Он обладает меньшим шумом в основной полосе, однако дает шумовые спектральные составляющие на частоте прерывания и ее гармониках. Как следствие, усилители со стабилизацией прерыванием больше подходят для схем, работающих по постоянному току или на низких частотах, в то время как усилители с автоматической коррекцией нуля годятся для более широкополосных схем.

Наименьшим шумом среди усилителей с нулевым дрейфом, которые выпускаются сегодня полупроводниковой промышленностью, обладает микросхема компании Analog Devices, Inc. ADA4528-1 с плотностью шумового напряжения 5,6 нВ/√Гц. При создании этого усилителя был использован метод стабилизации прерыванием, который дает малое шумовое напряжение в основной полосе. ADA4528-1 имеет диапазон входного и выходного напряжений, включающий в себя напряжения питания (rail-to-rail). Он также обеспечивает напряжение сдвига не хуже 0,3 мкВ, дрейф напряжения сдвига не хуже 0,002 мкВ/°С, ослабление синфазного сигнала 158 дБ и ослабление пульсаций по цепи питания 150 дБ. Благодаря этим характеристикам микросхема подходит для усиления слабых сигналов в прецизионных схемах, работающих по постоянному току или на низких частотах. К подобным схемам относятся прецизионные весы, схемы с тензодатчиками и мостовыми преобразователями, интерфейсы термопар и медицинские измерительные приборы.

Архитектура усилителя со стабилизацией прерыванием ADA4528-1

В ADA4528-1 применяется новаторский патентованный метод, с помощью которого подавляются вызванные напряжением сдвига пульсации в усилителе со стабилизацией прерыванием. В отличие от других методов стабилизации прерыванием, в которых пульсации отфильтровываются по переменному току, в данном методе осуществляется установка в нуль начального напряжения сдвига усилителя по постоянному току. Эта функция обеспечивается в ADA4528-1 при помощи локальной петли обратной связи, которая носит название обратной связи автоматической коррекции (autocorrection feedback, ACFB).

На рис. 1 изображена блок-схема усилителя ADA4528-1. Она состоит из параллельного соединения тракта с высоким коэффициентом усиления по постоянному току, в котором реализована обратная связь автоматической коррекции, и высокочастотного тракта прямой связи. Тракт с высоким коэффициентом усиления по постоянному току включает в себя входную схему прерывателя (CHOP1), первый усилитель тока, управляемый напряжением (Gm1), выходную схему прерывателя (CHOP2), а также второй и третий усилители тока, управляемые напряжением (Gm2 и Gm3). Контур обратной связи автоматической коррекции содержит четвертый усилитель, управляемый током (Gm4), выходную схему прерывателя (CHOP3) и режекторный фильтр на переключаемых конденсаторах (NF). И наконец, высокочастотный тракт прямой связи включает в себя пятый усилитель, управляемый током (Gm5). Частота прерывания (f_CHOP) всех прерывателей в схеме выбрана равной 200 кГц.

Рис. 1. Блок-схема усилителя

Схема работает следующим образом. Сначала входной сигнал основной полосы частот модулируется схемой CHOP1, затем схема CHOP2 демодулирует входной сигнал и в то же время переносит за счет модуляции начальное напряжение сдвига и шум 1/f усилителя Gm1 на частоту прерывания. Модулированные пульсации с выхода CHOP2 поступают на вход усилителя Gm4 в контуре обратной связи автоматической коррекции. Они демодулируются в область постоянного тока при помощи CHOP3, пропускаются через режекторный фильтр и подаются на входы коррекции нуля Gm1 (NULL+ и NULL–) для установки в нуль начального напряжения сдвига и шума 1/f, которые в противном случае проявились бы в выходном сигнале микросхемы в виде модулированных пульсаций. Таким образом, обратная связь автоматической коррекции, работающая в непрерывном режиме, подавляет модулированные пульсации.

Полезный сигнал основной полосы частот, присутствующий на выходе CHOP2, переносится схемой CHOP3 за счет модуляции на частоту прерывания. Режекторный фильтр, работающий синхронно с тактовой частотой, отфильтровывает сигналы на частоте прерывания (то есть все модулированные составляющие). Таким образом, контур обратной связи автоматической коррекции избирательно подавляет нежелательное напряжение сдвига и шум 1/f без искажения полезного входного сигнала основной полосы частот.

Назначение высокочастотного тракта прямой связи заключается в усилении любых высокочастотных входных сигналов на частотах вблизи частоты прерывания и выше нее. Он также позволяет обойти фазовый сдвиг, вносимый контуром обратной связи автоматической коррекции. В результате ADA4528-1 имеет стандартный наклон частотной характеристики коэффициента усиления, равный –20 дБ на декаду, и ширину полосы по уровню единичного усиления 4 МГц (рис. 2). Столь большая ширина полосы позволяет использовать ADA4528-1 в конфигурации с высоким коэффициентом усиления, при этом поддерживается достаточный коэффициент усиления в контуре для обеспечения минимальной погрешности коэффициента усиления.

Рис. 2. Зависимость фазы и коэффициента усиления при разомкнутой цепи обратной связи от частоты

Шумовые характеристики

Шум 1/f

Шум 1/f, который также называется розовым или фликкер-шумом, характерен для полупроводниковых устройств и увеличивается с уменьшением частоты. Таким образом, он вносит доминирующий вклад в полный шум по постоянному току и на низких частотах. Граничная частота шума 1/f усилителя — это частота, на которой фликкер-шум имеет такой же уровень, как и широкополосный шум. На рис. 3 показан пример характеристики шума в усилителе, который основан на технологии, отличной от технологии с нулевым дрейфом; граничная частота шума 1/f в данном случае равна 800 Гц. В схемах, работающих по постоянному току или на низких частотах, шум 1/f вносит основной вклад и, будучи умноженным на коэффициент усиления шума, может вызывать значительное напряжение сдвига.

Рис. 3. Усилитель, не относящийся к категории с нулевым дрейфом: зависимость плотности шумового напряжения от частоты

Усилители с нулевым дрейфом, в свою очередь, не имеют шума 1/f благодаря изменению частотной характеристики шумового напряжения. Поскольку шум 1/f проявляется в виде медленно меняющегося сдвига постоянной составляющей, он может быть эффективно устранен методом стабилизации прерыванием. Коррекция становится более эффективной по мере того, как частота шума приближается к нулю, компенсируя экспоненциальное нарастание шума в этой области. На рис. 4 изображена плотность шумового напряжения ADA4528-1, в которой отсутствует шумовое напряжение 1/f. Благодаря применению в ADA4528-1 метода стабилизации прерыванием шумовое напряжение на частотах от 0,1 до 10 Гц имеет размах всего 97 нВ при напряжении питания 2,5 В, что намного меньше шума в области низких частот у стандартных малошумящих усилителей, обладающих шумом 1/f.

Рис. 4. Усилитель с нулевым дрейфом ADA4528-1: зависимость плотности шумового напряжения от частоты

Широкополосный шум и вопросы выбора сопротивления внешнего источника

ADA4528-1 имеет плотность шумового напряжения 5,6 нВ/√Гц на частоте 1 кГц (при V_SY = 2,5 В, A_V = 100), что делает его самым малошумящим среди усилителей с нулевым дрейфом, выпускаемых сегодня промышленностью. В связи с этим для поддержания полного шума в системе на низком уровне важен вопрос выбора сопротивления внешнего источника входного сигнала.

Полный приведенный к входу шум (e_n,total), анализ которого необходим при проектировании любой усилительной схемы, зависит, в первую очередь, от трех типов шума: входного шумового напряжения, входного шумового тока и теплового шума (шума Джонсона) внешних резисторов. Уровни входного шумового напряжения и входного шумового тока обычно указываются в разделе электрических спецификаций технического описания. Тепловой шум внешнего резистора источника можно вычислить при помощи следующего уравнения:

где k — постоянная Больцмана (1,38×10^–23 Дж/К); Т — температура (К); R_S — полное сопротивление входного источника (Ом).

Вклад от этих трех некоррелированных источников шума складывается по закону корня из суммы квадратов:

где e_n — входное шумовое напряжение усилителя (В/√Гц); i_n — входной шумовой ток усилителя (А/√Гц).

Полный эквивалентный среднеквадратический шум в заданной полосе частот определяется по формуле:

где BW — ширина полосы (Гц).

Этот анализ справедлив для случая, когда шум в полосе имеет постоянный уровень. Если анализируемая ширина полосы включает в себя частоту прерывания, то для учета влияния шумового спектра на этой частоте требуются более сложные вычисления (рис. 8).

Рис. 8. Зависимость плотности шумового напряжения от частоты для различных значений коэффициента усиления при разомкнутой цепи ОС

Иногда плотность шумового напряжения зависит от коэффициента усиления усилителя. На рис. 5 изображена зависимость плотности шумового напряжения от коэффициента усиления при замкнутой цепи обратной связи для ближайшего конкурирующего усилителя с нулевым дрейфом. Плотность шумового напряжения усилителя возрастает с 11 до 21 нВ/√Гц по мере уменьшения коэффициента усиления при замкнутой цепи обратной связи с 1000 до 1. На рис. 6 приведена зависимость плотности шумового напряжения от частоты для ADA4528-1 при трех различных значениях коэффициента усиления: A_V = 1, 10 и 100. На графике видно, что независимо от выбранного коэффициента усиления плотность шумового напряжения ADA4528-1 приблизительно постоянна и изменяется в диапазоне от 6 до 7 нВ/√Гц.

Рис. 5. Конкурирующий компонент А: зависимость плотности шумового напряжения от коэффициента усиления при замкнутой цепи обратной связи

Рис. 6. ADA4528-1: зависимость плотности шумового напряжения от частоты

Вычисление вклада шума, приведенного к выходу

На рис. 7 изображено включение ADA4528-1 в неинвертирующей конфигурации. Вычисление вклада шума от внешних резисторов, шумового тока и шумового напряжения усилителя, приведенного к выходу (referred to output, RTO), осуществляется следующим образом:

• Коэффициент усиления шума — 1+R_F/R_S.

• 

• 

• Погрешность, обусловленная тепловым шумом, — R_S = V_RS×R_F/R_S.
• Погрешность, обусловленная тепловым шумом, — R_F = V_RF.
• Погрешность, обусловленная шумовым напряжением усилителя = e_n(1+R_F/R_S).
• Погрешность, обусловленная шумовым током усилителя, — i_n×R_F.

Рис. 7. Неинвертирующая конфигурация усилителя

Результаты вычисления приведены в таблице 1.

Таблица 1. Рассчитанный выходной шум (V_SY = 5 В)

Пульсации напряжения

Несмотря на то, что усилитель со стабилизацией прерыванием устанавливает начальное напряжение сдвига в нуль, в его выходном напряжении все равно будут присутствовать пульсации.

Во-первых, в пульсации выходного напряжения вносят вклад остаточные пульсации, вызванные начальным напряжением сдвига Gm1 (рис. 1). Эти пульсации порождают высокие спектральные составляющие на частоте прерывания (200 кГц) и ее гармониках. На рис. 8 изображена зависимость плотности шумового напряжения ADA4528-1 от частоты при трех различных вариантах коэффициента усиления. В конфигурации с единичным коэффициентом усиления значение спектральной составляющей шума усилителя на частоте 200 кГц равно 50 нВ/√Гц. Эта величина существенна, если ширина полосы ОУ при замкнутой цепи ОС больше частоты прерывания. В то же время при бóльших коэффициентах усиления значение шума на частоте прерывания становится менее значительным из-за естественного спада характеристики коэффициента усиления. Таким образом, ADA4528-1 прекрасно подходит для использования в конфигурации с высоким коэффициентом усиления по постоянному току благодаря своим крайне малым шуму, напряжению сдвига и дрейфу.

Для подавления шума в выходном сигнале усилителя следует включить в цепь обратной связи усилителя конденсатор. На рис. 9 и 10 изображены схема включения с конденсатором обратной связи и соответствующий ей график зависимости плотности шумового напряжения от частоты. Обратите внимание на то, что помимо уменьшения шума при использовании конденсатора обратной связи также сокращается и ширина полосы усилителя.

Рис. 9. Снижение шума при помощи конденсатора обратной связи

Рис. 10. Зависимость плотности шумового напряжения от частоты при использовании конденсатора обратной связи

Во-вторых, источник напряжения пульсаций — это результат интермодуляции между частотой прерывания (f_CHOP) и частотой входного сигнала (f_IN). Интермодуляционные искажения зависят от частоты входного сигнала, и по мере приближения частоты входного сигнала к частоте прерывания обусловленные ими погрешности возрастают. Интермодуляция порождает шумовые спектральные составляющие второго порядка на частотах f_CHOP ± f_IN, третьего порядка — на частотах 2f_IN ± f_CHOP и 2f_CHOP ± f_IN и т. д. Усилитель ADA4528-1 обладает очень малыми интермодуляционными искажениями по сравнению с другими усилителями с нулевым дрейфом. При входном сигнале с размахом напряжения 500 мВ и частотой 180 кГц среднеквадратическое напряжение пульсаций, обусловленных интермодуляционными искажениями, составляет 14,6 мкВ на частоте 20 кГц.

В заключение необходимо отметить, что остаточные пульсации начального напряжения сдвига и интермодуляционные искажения характерны для всех усилителей с нулевым дрейфом.

Использование ADA4528-1  в качестве измерительного усилителя

Крайне малые напряжение сдвига и дрейф, высокий коэффициент усиления при разомкнутой цепи ОС, высокое ослабление синфазного сигнала и высокое ослабление пульсаций по цепи питания ADA4528-1 позволяет использовать этот ОУ при создании дискретного измерительного усилителя с однополярным питанием.

На рис. 11 изображена схема классического измерительного усилителя на трех ОУ, построенная на основе ADA4528-1. Ключевым фактором, необходимым для достижения высокого КОСС в измерительном усилителе, является хорошее согласование отношений номиналов резисторов и их дрейфа. При усилении разностных сигналов очень важно согласование отношений резисторов R5/R2 = R6/R4. Параметры резисторов определяют разброс показателей схемы во времени, при изменении температуры и с учетом допусков технологического процесса изготовления. Если предположить, что изначально усилитель разностного сигнала обладает идеальным единичным коэффициентом усиления и бесконечным ослаблением синфазного сигнала, то погрешность согласования резисторов в 1% приведет к ухудшению ослабления синфазного сигнала до уровня всего 34 дБ. Таким образом, в схеме рекомендуется использовать резисторы с согласованием, по меньшей мере, 0,01%.

Рис. 11. Дискретный измерительный усилитель на трех ОУ

Чтобы при построении дискретного измерительного усилителя с внешними резисторами не вызывать ухудшения уровня шума, следует уделить пристальное внимание выбираемым номиналам резисторов. И R_G1, и R_G2 обладают тепловым шумом, который умножается на полный коэффициент усиления шума измерительного усилителя. Таким образом, необходимо, чтобы номиналы этих резисторов были достаточно малы для уменьшения вклада теплового шума в полный выходной шум, и в то же время они должны быть адекватными для обеспечения точного измерения. В таблице 2 приведены значения вклада шума внешних резисторов, приведенного к выходу.

Таблица 2. Вклад теплового шума

Обратите внимание на то, что A1 и A2  имеют высокий коэффициент усиления — 1+R1/R_G1. Следовательно, при их выборе необходимо в первую очередь учитывать входное напряжение сдвига и входное шумовое напряжение. Аналогичным образом R_G1 и R_G2, входное напряжение сдвига и входное шумовое напряжение усилителей, умножаются на полный коэффициент усиления шума. В связи с этим в качестве A1 и A2 в схеме необходимо использовать прецизионные усилители, обладающие малым напряжением сдвига и малым шумом, такие как ADA4528-1. В свою очередь, A3 работает с намного меньшим коэффициентом усиления и к нему предъявляется иной набор требований. Его входной шум, приведенный к входу всего измерительного усилителя, делится на коэффициент усиления первого каскада и не столь важен.

В схемах, работающих по постоянному току или на низких частотах, где требуется минимальный дрейф напряжения, в качестве A3 могут быть использованы усилители с нулевым дрейфом, например AD8538 или AD8628. Если дрейф напряжения не важен, можно использовать усилитель AD8603.

Заключение

Ключевые особенности усилителя ADA4528-1:

• крайне малые напряжение сдвига и дрейф;
• отсутствие шумового напряжения 1/f;
• крайне малая плотность шумового напряжения;
• высокое ослабление синфазных сигналов;
• высокое ослабление пульсаций по цепи питания;
• диапазон входных и выходных напряжений, включающий в себя напряжения питания (rail-to-tail).

Архитектура устройства предназначена специально для задач прецизионного усиления сигналов с высоким коэффициентом усиления, в которых требуется точность и стабильность показателей по постоянному току или на низких частотах.

Сравнение показателей ADA4528-1 и других усилителей с нулевым дрейфом дано в таблице 3.

Таблица 3. Одноканальные усилители с нулевым дрейфом

Аналогичную таблицу сравнительных характеристик малошумящих ОУ можно найти в документе Application Note AN-940, Low Noise Amplifier Selection Guide for Optimal Noise Performance [1]. Дополнительную информацию о шуме можно почерпнуть из материалов интерактивного семинара [2].

Литература

1. http://www.analog.com/static/imported-files/application_notes/AN-940.pdf
2. Интерактивный семинар Noise Optimiza-tion in Sensor Signal Conditioning Circuits:
   ч. 1: http://www.analog.com/webcast_noiseopt_part1;
   ч. 2: http://www.analog.com/webcast_noiseopt_part2;
   ч. 3: http://www.analog.com/webcast_noiseopt_part3