Zalety i wady wzmacniaczy z autozerowaniem i przetwarzaniem

Omówione wzmacniacze doskonale sprawdzają się w zastosowaniach, w których wymagane są małe szumy niskoczęstotliwościowe (1/f) i mały offset. Uzyskuje się w nich redukcję offsetu temperaturowego do wartości mniejszych niż 5 nV/°C. Zmniejszeniu ulega również offset napięcia obserwowany w czasie. Typowy offset napięciowy takich wzmacniaczy jest nie większy niż 1 µV. Wzmacniacze chopperowe i auto-zero charakteryzują się ponadto bardzo dobrymi parametrami CMRR i PSRR lepszymi od 125 dB. Jeszcze lepsze wyniki są uzyskiwane we wzmacniaczach będących połączeniem koncepcji Auto-Zero i Chopping (układy 2. generacji). Układy takie są również produkowane przez Analog Devices. Przykładową charakterystykę szumową wzmacniaczy o architekturze kombinowanej przedstawiono na rys. 3. Oba rodzaje wzmacniaczy zachowują się tak, jak układy z próbkowaniem – występują w nich skutki tej operacji. Dlatego, z uwagi na zjawisko aliasingu nie mogą być stosowane tam, gdzie pasmo sygnału jest większe niż połowa częstotliwości przełączania, albo idąc tym tokiem, należy stosować układy, które dla danego pasma zapewnią odpowiednio wysoką częstotliwość próbkowania. W układach z przetwarzaniem mamy do czynienia z typowymi efektami związanymi z modulacją i demodulacją sygnału. Celowe jest zatem stosowanie dolnoprzepustowych filtrów wyjściowych eliminujących wysokoczęstotliwościowe składniki przełączania. Wadą wzmacniaczy z przetwarzaniem w porównaniu ze wzmacniaczami z autozerowaniem jest ponadto przenoszenie części szumów z powrotem do pasma roboczego, wynikające ze stosowania procesu demodulacji. Nie zmienia to jednak faktu, że szumy 1/f są skutecznie filtrowane.

Rys. 3. Charakterystyka szumowa wzmacniaczy o architekturze kombinowanej

Inne rozwiązania – wzmacniacze typu Chopper + ACFB

Konstrukcje wzmacniaczy minimalizujących szumy 1/f i offset zostały poszerzone o jeszcze jeden typ wzmacniacza, w którym oprócz techniki przełączania zastosowano wewnętrzną autokorekcyjną pętlę sprzężenia zwrotnego. Układy te noszą nazwę Chopper + Auto Correction Feedback Loop (układy 3. generacji). Schemat takiego wzmacniacza przedstawiono na rys. 4, a jego charakterystykę szumową na rys. 5. Jak widać na wykresie, szum 1/f został w takim wzmacniaczu zredukowany do poziomu szumu białego. Zasada działania wzmacniacza Chopper + ACFB jest wynikiem głębokiej wiedzy konstruktorów. Wystarczy powiedzieć, że wzmacniany sygnał podlega 3-krotniemodulacji, w tym raz w zakresie działania pętli sprzężenia zwrotnego. W układzie zastosowano 6 wzmacniaczy transkonduktancyjnych zapewniających odpowiednie wzmocnienie sygnału przy jednoczesnej redukcji szumów i offsetu. Modulator CHOP1 przenosi widmo szumów 1/f do zakresu częstotliwości modulującej (np. w układzie ADA4051-2 jest ona równa 40 kHz). Wzmacniacz Gm4 będący elementem autokorekcyjnej pętli sprzężenia zwrotnego reaguje na wahania sygnału na wyjściu modulatora CHOP2 spowodowane przez wstępny offset napięciowy wzmacniacza Gm1. Wahania te po demodulacji (CHOP3) są z powrotem przesuwane w dół w dziedzinie częstotliwości, a więc do zakresu DC. Wszystkie modulatory pracują synchronicznie z tą samą częstotliwością. Ostatecznie wzmacniacz zerujący Gm5 wycina wszystkie składowe DC występujące się na wyjściu wzmacniacza Gm1. Filtr NF włączony do obwodu pętli sprzężenia zwrotnego selektywnie wycina niepożądane tętnienia wynikające z offsetu, bez istotnego zniekształcania sygnału wejściowego. Poddawany wzmocnieniu sygnał DC na wejściu wzmacniacza pojawia się również jako sygnał DC na wyjściu modulatora CHOP2, ale offset wstępny jest modulowany w górę przez modulator CHOP3 i filtrowany filtrem NF. Tak więc, wstępny offset nie ma wpływu na działanie pętli sprzężenia zwrotnego i nie zniekształca zasadniczego sygnału wejściowego. Na tej samej zasadzie offset wzmacniacza Gm5 jest filtrowany przez kombinację działania modulatora CHOP3 i filtru NF, przy jednoczesnym uwzględnianiu istotnych wahań napięcia na wyjściu CHOP2. Zadaniem wzmacniacza Gm6 jest utworzenie ścieżki bypass w celu eliminacji błędów fazowych wprowadzanych przez obwód pętli sprzężenia zwrotnego.

Rys. 4. Schemat blokowy wzmacniacza typu Chopper + Auto Correction Feedback Loop

Rys. 5. Charakterystyka szumowa wzmacniacza Chopper + Auto Correction Feedback Loop

ADA4051-1/ADA4051-2 – 1.8 V, Micropower, Zero-Drift, Rail-to-Rail Input/Output Op Amp

Przykładem praktycznej realizacji wymienionych wyżej teorii jest chętnie stosowany wzmacniacz ADA4051-1/ADA4051-2 produkowany przez Analog Devices. Jest to układ 3. generacji, a więc zastosowano w nim rozwiązanie typu Chopper + ACFB. Najważniejsze parametry wzmacniacza przedstawiono w tab. 1. Układ może być zasilany pojedynczym napięciem w zakresie od 1,8 do 5,5 V pobierając zaledwie 13 A prądu zasilającego. Wejścia i wyjścia są typu Rail-to-rail, możliwa jest więc praca w całym zakresie napięcia zasilającego, co ma istotne znaczenie w przypadku aplikacji zasilanych jednym napięciem o małej wartości. Wewnętrzne modulatory pracują z częstotliwością 40 kHz. Parametry układu ADA4051 predestynują go do zastosowań w aplikacjach zasilanych bateryjnie. Na rys. 6. przedstawiono przykładowe zastosowanie układu ADA4051-2 w monitorze prądu pobieranego przez odbiornik zasilany napięciem ujemnym. Jego rola polega na wzmocnieniu i odpowiednim uformowaniu napięcia występującego na szeregowym rezystorze pełniącym funkcję czujnika prądu. Napięcie pobierane z wyjścia wzmacniacza ADA4051 jest podawane na wejście przetwornika A/C AD7171, który przesyła dane do systemu nadrzędnego via optoizolator AduM5402. Dokładność monitorowania prądu jest w tym układzie lepsza od 1%. Inne zastosowania układu to: interfejsy różnego rodzaju czujników, dokładne pomiary temperatury, wagi elektroniczne, aparatura medyczna itp.