現(xiàn)代的零飄移放大器提供了處理許多光學(xué)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。
切割的最終限制導(dǎo)致設(shè)計者研究另一種方法,即所謂的自動零點,這是特別可行的集成電路。這是一種動態(tài)校正技術(shù),通過在放大器中采樣和減去低頻誤差源來工作。
一種基本的自動零點放大器包括一個不可避免的偏移和噪聲放大器、重新配置輸入和輸出的電子開關(guān),以及一個自動零點采樣電容器( 圖1 ).
圖1基本的自動零點放大器配置顯示用于重新配置信號路徑的開關(guān),從而捕捉電容器上放大器固有的誤差.
在自動零點階段( 1 電路的輸入被縮短到一個共同電壓,而自動零電容器則采集輸入偏移電壓和噪聲。放大器在此階段用于信號放大的"不可用",因為它被另一個任務(wù)占用。為了克服這個問題,并允許一個自動零放大器以連續(xù)的方式工作,必須在所謂的"乒乓"自動零放大器中插入兩個相同的通道,這是用戶看不到的。
在放大階段 2 輸入連接到信號路徑,放大器也可以用來放大信號。低頻噪聲、偏移和漂移通過自動自轉(zhuǎn)來抵消,剩余的誤差是電流值與先前樣本誤差的差。
因為低頻率誤差源并沒有很大的變化 1 至 2 ,這個減法很有效。然而,高頻噪音被稱為基帶,導(dǎo)致白噪音增加( 圖2 ).
圖2噪音功率譜密度由切割和自動零點動作決定,如在自動零點前(左至右)、自動零點后、切割后、自動零點后.
與一個非常好的精密操作放大器相比,自動零點器有多好?先進的自動零點IC放大器的性能是令人印象深刻的,他們通常比"非常好的"精密OP放大器的兩個數(shù)量級的臨界偏移,漂移,和噪音規(guī)格。因此,雖然它們的數(shù)字顯然不是零,但它們非常接近于零。
例如,Ada4528模擬設(shè)備是一個單通道、鐵路至軌道(rrr)零驅(qū)動放大器,其特點是:偏移電壓為2.5微伏(最大),偏移電壓僅為0.015兆伏/攝氏度(同樣,最大),電壓噪聲密度為5.6納伏(nv)/N2O赫茲(F=1千赫茲,增益為+100)和97NV 尖峰 (F=0.1赫茲至10赫茲,增益+100)。另一個類似設(shè)備零飄移放大器是Ada4522,它提供了5VV(最大)的偏移電壓、22NV/°C(最大)的偏移電壓漂移、由0.1NV(典型)至10赫茲(典型)的5.8NV(典型)和117NV(典型)的電壓噪聲密度,以及50皮坎普(典型)的輸入偏置電流。
變得更好
通過仔細檢查和調(diào)查每一個微妙的錯誤來源的根源,零流式集成電路的設(shè)計者已經(jīng)能夠設(shè)計出先進的或復(fù)雜的拓撲結(jié)構(gòu)和過程方法來克服它們。它們不僅減少了這些工件的數(shù)量,而且還把它們放在較高的頻率上,在系統(tǒng)級別上更容易過濾掉。第二級缺陷的來源有兩個:
打皺 --將這些低頻誤差移動到切頻率奇異諧波的切波調(diào)制技術(shù)的一個基本結(jié)果。
閃光藝術(shù)品 — 元素元素 由切割開關(guān)上的電荷注入失配引起的這些故障的嚴重程度取決于許多因素,包括源阻抗和電荷不匹配的數(shù)量。
有好消息和壞消息,因為這些令人印象深刻的零飄移放大器已經(jīng)開發(fā)。好消息是,與傳統(tǒng)的高精度放大器相比,漂移和偏移誤差已經(jīng)減少了數(shù)量級。壞消息是,就像當一條河流在干旱中干涸,新的河床特征首次被揭示一樣,幾乎全部消除了一級和二級錯誤,使得所有類型和來源的微小的、剩余的三級錯誤源現(xiàn)在變得可見。
例如,對于零散放大器及其模擬信號通道,偏移誤差的一個潛在來源是在兩個不相似金屬的連接處出現(xiàn)的塞貝克(熱電偶)電壓,這是連接處溫度的函數(shù)。電路板上最常見的金屬連接點是焊接到板的痕跡和焊接到組件的鉛。
考慮焊接到印刷電路板( 圖3 )。板上溫度的變化,如T1與T2不同,會導(dǎo)致焊接接頭塞貝克電壓不匹配,從而導(dǎo)致熱電壓誤差,降低零浮式放大器的超低偏移電壓性能。
圖3由于先進的零飄移放大器大大減少了它們的誤差,諸如熱梯度和塞貝克電壓等不太明顯的來源成為挑戰(zhàn),必須加以解決.
最小化熱電偶效應(yīng)需要特別注意看起來無關(guān)緊要的細節(jié)。例如,電阻應(yīng)該是定向的,使不同的熱源的兩端同樣溫暖。在可能的情況下,輸入信號路徑必須包含匹配的數(shù)目和組件類型,以匹配熱電偶連接的數(shù)目和類型。將匹配的元件放在較近的位置,并以相同的方式定位它們,將確保相同的塞貝克電壓,從而消除熱誤差。
板上的熱源應(yīng)盡可能遠離放大器輸入電路。此外,地面平面可以用來幫助在整個板上分配熱量,以保持整個板上的恒定溫度,從而減少EMI噪聲的接收。
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