現(xiàn)代的零飄移放大器提供了處理許多光學生物信號和接近0赫茲的物理世界信號所需的極低的漂移和噪聲性能。
在我們這個速度越來越快、帶寬越寬的信號和頻率越來越高的系統(tǒng)的世界里,極低頻范圍內(nèi)的信號--降至零赫茲(0赫茲)--要么是微不足道的,要么是不合時宜的。
然而,事實并非如此。在這一范圍內(nèi)存在著許多現(xiàn)實世界中的現(xiàn)象,并提供了重要的信息。例如,把某件事看作是司空見慣、無處不在的,就像在一天的時間里監(jiān)測室外溫度一樣。雖然氣溫在24小時內(nèi)可能會超過10或20度,但其變化速度非常緩慢( Figure 1) .
圖1對環(huán)境溫度等移動非常緩慢的物理變量的數(shù)據(jù)采集帶來了一套獨特的放大器挑戰(zhàn)
同樣,觀察光的強度從一個發(fā)光的蠟燭火焰閃爍,燃燒更高,然后最終燃燒是一個緩慢的情況。這種緩慢移動信號還有很多其他例子:患者對各種身體參數(shù)的監(jiān)測、橋橋運動、熱膨脹和收縮只是少數(shù)幾個例子。
將這些信號放大到它們的傳感器應該很容易;畢竟,我們有放大器和模擬的前端,可以到達數(shù)百兆赫和千兆赫茲范圍,那么問題是什么呢?
放大這些超流信號受到兩個因素的挑戰(zhàn):放大器/模擬前端(AFE)漂移和噪聲。漂移是由于各種熱效應而產(chǎn)生的基線變化,而噪音有許多來源。
所有放大器的低頻性能都有一定的漂移,這主要是由于熱效應以及電流和電壓變化時操作點的變化。信號鏈的性能被放大器參數(shù)中的任何初始直流偏移(如偏置電流或電壓偏移)和固有的1/F(粉紅色)噪聲,以及隨之而來的溫度引起的漂移、功率-軌道變化或組件引起的不可避免的性能變化所削弱。
設(shè)計一個放大器,可以放大具有零或近零漂移的超射頻信號,并偏移其他誤差,以及低通帶噪聲,是一個獨特的挑戰(zhàn)。低頻漂移和噪聲可以從高頻信號中過濾出來,但當噪聲和漂移與信號處于同一波段時,濾波掩蓋了感興趣的變化。
濾波的替代方法是一種放大器拓撲結(jié)構(gòu),它是專門為直流到幾百赫茲甚至幾千赫茲的超低頻率設(shè)計的。請注意,這些放大器有時被稱為"直流放大器",因為它們的帶寬一直延伸到直流,但它們真的不需要放大直流。畢竟,一個真正的直流信號是常數(shù),因此不傳遞任何信息,所以沒有必要放大它。然而,"直流放大器"這個術(shù)語經(jīng)常用于這些設(shè)備。
低飄移放大器填補空白
在這些極低頻率捕獲和放大信號的問題并不是新問題;事實上,自從研究人員需要捕捉光等參數(shù)變化的電子前和電前時代以來,就一直存在這個問題。他們設(shè)計了一種方案,以機械的方式以更高的速率"切割"所需的信號,從而將其調(diào)制到可以傳遞的部分頻譜,然后在另一端記錄和觀測時由同步的切割器進行解調(diào)。低頻漂移被有效地過濾掉了,而且與此無關(guān)(以后會有更多的機械切割)。
當真空管出現(xiàn)和電子產(chǎn)品開始出現(xiàn)時,這種切割的概念很快就擴展了。這些真空管型斬波放大器工作得很好,但由于當時管技術(shù)的局限性,尺寸、重量和功率要求都很高。隨著晶體管和模擬集成電路成為標準部件,它們很快就被應用于脈沖拓撲放大器中,以捕捉和放大這些信號。
這種對低頻信號的切割技術(shù)的演變的一個結(jié)果是,"載波放大器"一詞與更正確的術(shù)語"直流放大器"、更準確的術(shù)語"低頻放大器"或者,最好的是,"零流放大器"成為同義詞(認識到?jīng)]有放大器真正是零漂移,但正確的設(shè)計可能非常接近于零)。請記住,切割是一種技術(shù)和拓撲結(jié)構(gòu),而不是零飄移的目的--因此,使用一個術(shù)語來表示它所做的也意味著它所做的可能是混淆的。
有兩種拓撲結(jié)構(gòu)用于實現(xiàn)"零浮選"性能:
· 驚人的 如前所述,使用信號調(diào)制解調(diào),具有較低的基帶噪聲,但也會在切頻及其諧波時產(chǎn)生噪聲。
· 或者, 自動零點 使用采樣保持電路,適用于寬頻帶的應用,但由于頻譜基帶部分的"折回"噪聲,因此具有更多的帶內(nèi)電壓噪聲。
先進的零流式放大器集成器將這兩種技術(shù)結(jié)合起來,提供了"兩個世界中最好的。他們管理噪音譜密度(NSD),以提供較低的基帶噪音,同時盡量減少高頻誤差,如波紋、故障和互調(diào)失真(IMD)( 圖2 ).
圖2每種類型的模擬放大器都有一個獨特的典型噪聲譜密度(NSD);零飄移放大器接受了NSD的性能,即自動零零度和雜化穩(wěn)定方法,以產(chǎn)生更可接受的場景.
切托有它的屬性
這個放大器,更正式的被稱為切分穩(wěn)定放大器(但通常被稱為切分放大器或僅僅是"切分器"),使用切分電路來打斷(切割)輸入信號,這樣它就可以像被調(diào)制的交流信號一樣處理。然后,它對輸出時的直流信號進行解調(diào),以提取原始信號。
這樣,極小的直流信號可以放大,而不需要的移動的影響大大減少到接近零。切割調(diào)制通過將誤差調(diào)制到較高的頻率來分離偏移噪聲和低頻噪聲,在較高的頻率上,它們更容易通過濾波來最小化或去除。
在時間域內(nèi)容易理解切取操作細節(jié)( 圖3 )。輸入信號(藍色波形-a)通過將(b)切成方波進行調(diào)制。該信號在輸出(d)回到直流時解調(diào)(c)。放大器中固有的低頻誤差(紅色波形)是(c)在輸出時被調(diào)制成方波,然后(d)被低通濾波器(LFP)過濾。
圖3輸入信號在(a)輸入、(b)V1、(c)V2和(d)基本切割技術(shù).
當然,沒有什么技術(shù)是完美的,這同樣適用于切割。由于切割(切換)動作,以及切割時鐘邊緣引起的噪音,有一些工件。盡管直升機設(shè)計增加了內(nèi)部濾波來減少工件和噪音,但其中一些仍然存在。盡管如此,高性能的斬波器仍會有比高端雙極放大器更大或更小的漂移和噪聲,而高端雙極放大器通常提供約25伏的偏移電壓和0.1伏/攝氏度的漂移。
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