零飄移放大器巧妙的超射頻信號(hào),第1部分

現(xiàn)代的零飄移放大器提供了處理許多光學(xué)生物信號(hào)和接近0赫茲的物理世界信號(hào)所需的極低的漂移和噪聲性能。

在我們這個(gè)速度越來越快、帶寬越寬的信號(hào)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(hào)--降至零赫茲(0赫茲)--要么是微不足道的,要么是不合時(shí)宜的。

然而,事實(shí)并非如此。在這一范圍內(nèi)存在著許多現(xiàn)實(shí)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(wú)處不在的,就像在一天的時(shí)間里監(jiān)測(cè)室外溫度一樣。雖然氣溫在24小時(shí)內(nèi)可能會(huì)超過10或20度,但其變化速度非常緩慢( Figure 1) .

圖1對(duì)環(huán)境溫度等移動(dòng)非常緩慢的物理變量的數(shù)據(jù)采集帶來了一套獨(dú)特的放大器挑戰(zhàn)

同樣,觀察光的強(qiáng)度從一個(gè)發(fā)光的蠟燭火焰閃爍,燃燒更高,然后最終燃燒是一個(gè)緩慢的情況。這種緩慢移動(dòng)信號(hào)還有很多其他例子:患者對(duì)各種身體參數(shù)的監(jiān)測(cè)、橋橋運(yùn)動(dòng)、熱膨脹和收縮只是少數(shù)幾個(gè)例子。

將這些信號(hào)放大到它們的傳感器應(yīng)該很容易;畢竟,我們有放大器和模擬的前端,可以到達(dá)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(hào)受到兩個(gè)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(yīng)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(yīng)以及電流和電壓變化時(shí)操作點(diǎn)的變化。信號(hào)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(jì)一個(gè)放大器,可以放大具有零或近零漂移的超射頻信號(hào),并偏移其他誤差,以及低通帶噪聲,是一個(gè)獨(dú)特的挑戰(zhàn)。低頻漂移和噪聲可以從高頻信號(hào)中過濾出來,但當(dāng)噪聲和漂移與信號(hào)處于同一波段時(shí),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?fù)浣Y(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(jì)的。請(qǐng)注意,這些放大器有時(shí)被稱為"直流放大器",因?yàn)樗鼈兊膸捯恢毖由斓街绷?但它們真的不需要放大直流。畢竟,一個(gè)真正的直流信號(hào)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(gè)術(shù)語(yǔ)經(jīng)常用于這些設(shè)備。

低飄移放大器填補(bǔ)空白

在這些極低頻率捕獲和放大信號(hào)的問題并不是新問題;事實(shí)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(shí)代以來,就一直存在這個(gè)問題。他們?cè)O(shè)計(jì)了一種方案,以機(jī)械的方式以更高的速率"切割"所需的信號(hào),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(cè)時(shí)由同步的切割器進(jìn)行解調(diào)。低頻漂移被有效地過濾掉了,而且與此無(wú)關(guān)(以后會(huì)有更多的機(jī)械切割)。

當(dāng)真空管出現(xiàn)和電子產(chǎn)品開始出現(xiàn)時(shí),這種切割的概念很快就擴(kuò)展了。這些真空管型斬波放大器工作得很好,但由于當(dāng)時(shí)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(biāo)準(zhǔn)部件,它們很快就被應(yīng)用于脈沖拓?fù)浞糯笃髦?以捕捉和放大這些信號(hào)。

這種對(duì)低頻信號(hào)的切割技術(shù)的演變的一個(gè)結(jié)果是,"載波放大器"一詞與更正確的術(shù)語(yǔ)"直流放大器"、更準(zhǔn)確的術(shù)語(yǔ)"低頻放大器"或者,最好的是,"零流放大器"成為同義詞(認(rèn)識(shí)到?jīng)]有放大器真正是零漂移,但正確的設(shè)計(jì)可能非常接近于零)。請(qǐng)記住,切割是一種技術(shù)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),而不是零飄移的目的--因此,使用一個(gè)術(shù)語(yǔ)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)用于實(shí)現(xiàn)"零浮選"性能:

· 驚人的 如前所述,使用信號(hào)調(diào)制解調(diào),具有較低的基帶噪聲,但也會(huì)在切頻及其諧波時(shí)產(chǎn)生噪聲。

· 或者, 自動(dòng)零點(diǎn) 使用采樣保持電路,適用于寬頻帶的應(yīng)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(jìn)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(gè)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(shí)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(gè)獨(dú)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(dòng)零零度和雜化穩(wěn)定方法,以產(chǎn)生更可接受的場(chǎng)景.

切托有它的屬性

這個(gè)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(hào),這樣它就可以像被調(diào)制的交流信號(hào)一樣處理。然后,它對(duì)輸出時(shí)的直流信號(hào)進(jìn)行解調(diào),以提取原始信號(hào)。

這樣,極小的直流信號(hào)可以放大,而不需要的移動(dòng)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(shí)間域內(nèi)容易理解切取操作細(xì)節(jié)( 圖3 )。輸入信號(hào)(藍(lán)色波形-a)通過將(b)切成方波進(jìn)行調(diào)制。該信號(hào)在輸出(d)回到直流時(shí)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(shí)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(hào)在(a)輸入、(b)V1、(c)V2和(d)基本切割技術(shù).

當(dāng)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(dòng)作,以及切割時(shí)鐘邊緣引起的噪音,有一些工件。盡管直升機(jī)設(shè)計(jì)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(huì)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。