Osiąganie precyzji dla prądu stałego i szerokiego pasma częstotliwości przy użyciu wzmacniaczy o zerowym dryfcie

W realnym świecie istnieje wiele sygnałów czujnikowych, zwłaszcza tych związanych ze zjawiskami naturalnymi, które wykazują tylko bardzo powolne i niewielkie zmiany z upływem czasu. Jednak to właśnie te subtelne zmiany są ważne dla coraz lepszego zrozumienia sytuacji. Wśród wielu przykładów znajdują się czujniki tensometryczne monitorujące ruchy mostów lub konstrukcji, przetworniki podwodne do pomiaru przepływu prądu i zjawisk związanych z temperaturą, przyspieszeniomierze wykrywające ruchy związane z trzęsieniami ziemi i przesunięciami powierzchni ziemi, sygnały wyjściowe z różnych czujników optycznych i prawie wszystkie sygnały biopotencjału.

Skuteczne i dokładne przechwytywanie sygnałów o bardzo niskim poziomie zawsze było wyzwaniem. Są one bardzo podatne na zakłócanie przez szumy, więc ich wzmocnienie ma kluczowe znaczenie dla osiągnięcia wymaganej amplitudy i utrzymania stosunku sygnału do szumu (SNR). Dodatkowe wyzwanie stanowi niska częstotliwość tych sygnałów, często w postaci kilku lub kilkudziesięciu herców (Hz), które potocznie i powszechnie określa się jako „sygnały prądu stałego”.

Negatywny wpływ na parametry działania łańcucha sygnałowego ma każde początkowe niezrównoważenie prądu stałego w parametrach wzmacniacza, np. w prądzie polaryzacji lub korekcji napięcia, a także nieodłączny szum różowy (1/f), jak i późniejsze nieuniknione zmiany parametrów działania wynikające z dryftu temperaturowego, wahań na szynie zasilającej lub starzenia się komponentów.

Tradycyjnie wzmacniacze o zerowym dryfcie nadają się jedynie do zastosowań o mniejszej szerokości pasma, ponieważ przy wyższych częstotliwościach techniki dynamicznej redukcji błędów powodują nadmierne artefakty. Jest to jednak bardzo istotne ograniczenie, ponieważ w przypadku tych sygnałów podobnych do prądu stałego mogą występować nagłe skoki istotnej wyższej częstotliwości i aktywności w paśmie o większej szerokości, na przykład gdy konstrukcja nagle pęka lub dochodzi do trzęsienia ziemi.

Z tego powodu bardzo pożądany jest wzmacniacz z układem front-end, który charakteryzuje się bardzo niskim dryftem dla sygnałów zbliżonych do prądu stałego, posiadający dobre parametry działania przy wyższych częstotliwościach. Na szczęście udoskonalenia topologii i konstrukcji umożliwiły rozwój układów scalonych wzmacniaczy o zerowym dryfcie do pracy w zakresie od prądu stałego do wyższych częstotliwości, w których zasadniczo wyeliminowano korekcję, dryft parametrów i szum 1/f.

Do zilustrowania specyfiki wzmacniaczy o zerowym dryfcie, ich parametrów i związanych z nimi problemów, w niniejszym artykule posłużono się przykładem komponentów firmy Analog Devices (ADI). Dodatkowo w artykule omówiono sposoby realizacji funkcji wzmacniacza o zerowym dryfcie, a także techniki poprawy parametrów działania wzmacniacza i powiązanego łańcucha sygnałowego.

Sposoby na niezerowy dryft

Dryft jest zmianą podstawowych parametrów działania i jest spowodowany przede wszystkim, ale nie tylko, różnymi efektami termicznymi w czujniku, a także analogowym układzie front-end (AFE). Tradycyjnym rozwiązaniem umożliwiającym osiągnięcie niemal zerowego dryftu jest użycie stabilizowanego wzmacniacza czoperowego, który moduluje sygnał o niskiej częstotliwości (często nazywany sygnałem prądu stałego) do sygnału o częstotliwości wyższej, łatwiejszej do regulowania i filtrowania. Na późniejszym etapie demodulacji stopnia wyjściowego wzmacniacza przywracany jest pierwotny sygnał, ale w formie wzmocnionej. Ta technika działa i jest z powodzeniem stosowana od wielu lat.

Należy zauważyć, że termin „sygnał prądu stałego” jest nieco mylący - precyzyjniej byłoby go określić „sygnałem bliskim sygnałowi prądu stałego”. Gdyby sygnał ten był naprawdę sygnałem prądu stałego, a tym samym miał stałą wartość, nie dochodziłoby do żadnych zmian niosących informacje - a w rzeczywistości chodzi właśnie o te niewielkie zmiany. Mimo to powszechnie stosuje się wobec niego termin „sygnał prądu stałego”.

Alternatywą dla stabilizacji czoperowej jest metoda „automatycznego zerowania”. Technika ta wykorzystuje dynamiczną korekcję w celu uzyskania podobnych wyników, ale z nieco innym wachlarzem kompromisów pod względem parametrów działania. Wzmacniacze operacyjne o zerowym dryfcie mogą wykorzystywać przerywanie (chopping), automatyczne zerowanie lub kombinację obu technik w celu usunięcia niepożądanych źródeł błędów o niskiej częstotliwości. Znowu pojawia się drobna kwestia terminologii: zwrot „o zerowym dryfcie” jest nieco mylący. Choć wzmacniacze te mają bardzo niski dryft, bardzo bliski zeru, to nie są idealnie zerodryftowe - mimo że są imponująco temu bliskie. Każda technika ma swoje zalety i wady i nadaje się do innych zastosowań:

• Przerywanie wykorzystuje modulację oraz demodulację sygnału i charakteryzuje się niższym poziomem szumów w paśmie podstawowym, ale generuje artefakty szumu przy częstotliwości przerywania i jego harmonicznych.
• Alternatywne rozwiązanie, czyli automatyczne zerowanie wykorzystuje obwód próbkowania oraz podtrzymywania i jest odpowiednie dla zastosowań w szerszych pasmach. Jednak wiąże się z większymi zakłóceniami napięcia w paśmie z powodu „podcięcia” szumów do części pasma podstawowego widma.
• Zaawansowane układy scalone wzmacniaczy o zerowym dryfcie łączą w sobie obie techniki, oferując to, co najlepsze z obu rozwiązań. Zarządzają one widmową gęstością szumów (NSD), aby zapewnić niższy poziom szumów w paśmie podstawowym, minimalizując przy tym błędy wysokiej częstotliwości, takie jak tętnienia, zakłócenia i zniekształcenia intermodulacyjne (IMD) (ilustracja 1).

Ilustracja 1: każdy typ wzmacniacza analogowego ma inną typową widmową gęstość szumów (NSD). Wzmacniacz o zerowym dryfcie jest kompatybilny z widmową gęstością szumów technik automatycznego zerowania i stabilizacji czoperowej, zapewniając bardziej akceptowalny rezultat. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Na początek przerywanie

Stabilizowany wzmacniacz czoperowy (zwany także wzmacniaczem przerywającym lub po prostu „czoperem”) wykorzystuje obwód przerywania do przerwania (odcięcia) sygnału wejściowego, aby można było go przetworzyć tak, jakby był on modulowanym sygnałem prądu zmiennego. Następnie demoduluje sygnał z powrotem do sygnału prądu stałego na wyjściu w celu wyodrębnienia oryginalnego sygnału.

W ten sposób można wzmacniać bardzo małe sygnały prądu stałego, a wpływ niepożądanych dryftów jest znacznie minimalizowany - prawie do zera. Modulacja czoperowa oddziela niezrównoważenie i szumy niskiej częstotliwości od zawartości sygnału poprzez modulowanie błędów do wyższych częstotliwości, gdzie są one znacznie łatwiejsze do zminimalizowania lub usunięcia poprzez filtrowanie.

Szczegóły dotyczące operacji przerywania (chopping) łatwo jest zrozumieć w dziedzinie czasu (ilustracja 2). Sygnał wejściowy (A) jest modulowany przez sygnał przerywania (b) do przebiegu prostokątnego. Na wyjściu (d) sygnał ten jest demodulowany (c) z powrotem do sygnału prądu stałego. Nieodłączne błędy niskiej częstotliwości (czerwona krzywa) we wzmacniaczu są modulowane na wyjściu do przebiegu prostokątnego, który następnie (d) jest filtrowany za pomocą filtru dolnoprzepustowego (LPF).

Ilustracja 2: przebiegi sygnału wejściowego V_IN (niebieski) i błędów (czerwony) na wejściu (a), (b) V1, (c) V2 i wyjściu (d) V_OUT w dziedzinie czasu dla podstawowej techniki przerywania. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Wiele informacji daje również analiza w dziedzinie częstotliwości (ilustracja 3). Sygnał wejściowy (a) jest modulowany do częstotliwości przerywania (b), przetwarzany przez stopień wzmocnienia na częstotliwości f_CHOP, demodulowany na wyjściu z powrotem do sygnału prądu stałego (c) i ostatecznie przechodzi przez filtr dolnoprzepustowy (LPF) (d). Źródła niezrównoważenia i szumów (sygnał czerwony) wzmacniacza są przetwarzane do sygnału prądu stałego przez stopień wzmocnienia, modulowane do częstotliwości f_CHOP przez przełączniki wyjściowe przerywania (c), a na koniec filtrowane przez filtr dolnoprzepustowy (LPF) (d). Ponieważ stosowana jest modulacja o przebiegu prostokątnym, modulacja występuje wokół nieparzystych wielokrotności częstotliwości modulacji.

Ilustracja 3: równie istotną perspektywą jest widmo sygnału (niebieski) i błędów (czerwony) na wejściu (a), (b) V1, (c) V2 i wyjściu (d) V_OUT w dziedzinie częstotliwości. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Oczywiście żaden projekt nie jest doskonały. Zarówno dane dotyczące dziedziny czasu, jak i częstotliwości pokazują, że z powodu modulowanego szumu i niezrównoważenia pojawi się jakiś błąd resztkowy, jako że filtr dolnoprzepustowy (LPF) nie stanowi „muru nie do przebicia”.

Przejście do automatycznego zerowania

Automatyczne zerowanie jest techniką korekcji dynamicznej, która działa poprzez próbkowanie i usuwanie źródeł błędów niskiej częstotliwości we wzmacniaczu. W skład zestawu podstawowego wzmacniacza z automatycznym zerowaniem wchodzi wzmacniacz z nieuniknionym niezrównoważeniem i szumami, przełączniki do rekonfiguracji wejścia i wyjścia oraz kondensator próbkujący z automatycznym zerowaniem (ilustracja 4).

Ilustracja 4: w konfiguracji podstawowego wzmacniacza z automatycznym zerowaniem znajdują się przełączniki używane do rekonfiguracji ścieżki sygnałowej, dzięki którym błędy wewnętrzne wzmacniacza są przechwytywane na kondensatorze. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Podczas fazy automatycznego zerowania, ϕ₁, następuje zwarcie wejścia obwodu do wspólnego napięcia oraz próbkowanie napięcia niezrównoważenia na wejściu i szumów przez kondensator automatycznego zerowania. Należy pamiętać, że w tej fazie wzmacniacz jest „niedostępny” dla wzmacniania sygnału, ponieważ jest zajęty innym zadaniem. Zatem aby wzmacniacz automatycznego zerowania działał w sposób ciągły, dwa identyczne kanały muszą się przeplatać w ramach automatycznego zerowania, przeplatane w tzw. trybie „ping-pong”.

W fazie wzmacniania, ϕ₂, wejście jest łączone z powrotem ze ścieżką sygnałową, a wzmacniacz jest ponownie dostępny do wzmocnienia sygnału. Automatyczne zerowanie niweluje szumy, niezrównoważenie i dryft niskiej częstotliwości. Pozostały błąd to różnica między bieżącą wartością a poprzednią próbką błędów.

Ze względu na to, że źródła błędów niskiej częstotliwości nie zmieniają się znacznie pomiędzy fazą ϕ₁ i fazą ϕ₂, odejmowanie to działa dobrze. Jednak szumy o wysokiej częstotliwości są aliasowane w dół do pasma podstawowego i powodują wzrost poziomu szumu białego (ilustracja 5).

Ilustracja 5: widmowa gęstość mocy szumów jest kształtowana przez operacje przerywania i automatycznego zerowania. Na ilustracjach przedstawiono (od lewej do prawej) stan przed automatycznym zerowaniem, po automatycznym zerowaniu, po przerywaniu oraz po przerywaniu i automatycznym zerowaniu. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Parametry działania zaawansowanych układów scalonych wzmacniaczy z automatycznym zerowaniem są imponujące. Są one zazwyczaj lepsze o jeden do dwóch rzędów wielkości w porównaniu z „bardzo dobrym” precyzyjnym wzmacniaczem operacyjnym przy krytycznych parametrach niezrównoważenia, dryftu i szumów. Chociaż ich wartości oczywiście nie są zerowe, to jednak są bardzo bliskie zera.

Na przykład, jednokanałowy wzmacniacz typu rail-to-rail (RTR) o zerowym dryfcie ADA4528, charakteryzujący się maksymalnym napięciem niezrównoważenia 2,5μV, maksymalnym dryftem napięcia niezrównoważenia wynoszącym zaledwie 0,015μV/°C oraz gęstością szumów napięcia 5,6nV)/√Hz (przy częstotliwości f = 1Hz, wzmocnienie +100) oraz wartością 97nV_{międzyszczyt.} (dla częstotliwości f = od 0,1Hz do 10Hz, wzmocnienie +100). Inny jednokanałowy wzmacniacz typu rail-to-rail o zerowym dryfcie ADA4522 oferuje maksymalne napięcie niezrównoważenia 5μV, maksymalny dryft napięcia niezrównoważenia 22nV/°C, gęstość szumów napięcia 5,8nV/√Hz (wartość typowa), oraz wartość 117nV_{międzyszczyt.} w zakresie od 0,1Hz do 10Hz (wartość typowa), z prądem wejściowym polaryzacji 50pA (wartość typowa).

Artefakty mogą zmniejszyć „doskonałość”

Technika przerywania (chopping) sprawdza się dobrze do usuwania niepożądanego niezrównoważenia, dryftu i szumu różowego ( 1/f), ale wytwarza niepożądane artefakty prądu zmiennego, takie jak tętnienie wyjściowe i zakłócenia. Jednak dzięki starannemu zbadaniu przyczyn poszczególnych artefaktów, a następnie zastosowaniu zaawansowanych topologii i podejść technologicznych, produkty o zerowym dryfcie firmy Analog Devices sprawiły, że wielkość tych artefaktów została znacznie zmniejszona, a one same znajdowały się na wyższych częstotliwościach, gdzie łatwiej je odfiltrować na poziomie układu. Przykłady takich artefaktów to:

Tętnienia: podstawowa konsekwencja techniki modulacji przerywania (chopping), która przenosi błędy niskiej częstotliwości do nieparzystych harmonicznych częstotliwości przerywania. Projektanci wzmacniaczy stosują wiele metod redukcji zjawiska tętnień, w tym:

• Dostrajanie niezrównoważenia na etapie produkcji: jednorazowe początkowe dostrojenie pomaga w znacznej redukcji nominalnego niezrównoważenia, ale nie usuwa dryftu napięcia niezrównoważenia i szumu różowego (1/f).
• Połączenie techniki przerywania i automatycznego zerowania: we wzmacniaczu najpierw odbywa się zerowanie automatyczne, a następnie przerywanie (chopping), aby zmodulować zwiększoną widmową gęstość szumów (NSD) do wyższej częstotliwości (jak widać na poprzedniej ilustracji, która ukazuje widmo szumów powstających po przerywaniu i automatycznym zerowaniu).
• Sprzężenie zwrotne automatycznej korekcji (ACFB): lokalną pętlę sprzężenia zwrotnego można wykorzystać do pomiaru modulowanych tętnień na wyjściu i wyzerowania błędów niskiej częstotliwości u ich źródła.

Zakłócenia: skoki w stanie nieustalonym spowodowane niedopasowaniem wstrzykiwania ładunku z przełączników przerywania. Wielkość tych zakłóceń zależy od wielu czynników, w tym od impedancji źródła i niedopasowania poziomu ładunku.

Skoki zakłóceń nie tylko powodują artefakty na parzystych harmonicznych częstotliwości przerywania, ale także tworzą resztkowe niezrównoważenie prądu stałego proporcjonalne do częstotliwości przerywania. Na ilustracji 6 (po lewej) przedstawiono wygląd tych skoków wewnątrz przełączników przerywania w punkcie V1 oraz za przełącznikami wyjściowymi przerywania w punkcie V2. Dodatkowe artefakty zakłóceń dla parzystych harmonicznych częstotliwości przerywania są spowodowane przez ograniczoną szerokość pasma wzmacniacza (ilustracja 6, po prawej).

Ilustracja 6: napięcie zakłóceń (po lewej) spowodowane wstrzykiwaniem ładunku w punkcie V1 (wewnątrz przełączników przerywania) i w punkcie V2 (na zewnątrz przełączników przerywania); zakłócenia (po prawej) spowodowane przez ograniczoną szerokość pasma wzmacniacza w punkcie V1 i V2. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Jeśli chodzi o zakłócenia we wzmacniaczach o zerowym dryfcie, podobnie jak w przypadku tętnień, projektanci opracowali i wdrożyli subtelne, ale skuteczne techniki redukcji ich wpływu.

• Dostrajanie wstrzykiwania ładunku: w celu kompensacji niedopasowania ładunku do wejść wzmacniacza z przerywaniem można wprowadzić dostrajanie ładunku, co zmniejsza natężenie prądu wejściowego na wejściach wzmacniacza operacyjnego.
• Przerywanie wielokanałowe: nie tylko zmniejsza wielkość zakłóceń, ale także przenosi je na wyższą częstotliwość, ułatwiając filtrowanie. W porównaniu do przerywania przy wyższej częstotliwości technika ta powoduje częstsze zakłócenia, ale o mniejszych wielkościach.

Wielokanałowe przerywanie wyraźnie widać przy porównaniu typowego wzmacniacza o zerowym dryfcie (A) ze wzmacniaczem ADA4522, który wykorzystuje tę technikę w celu znacznego zmniejszenia wpływu zakłóceń (ilustracja 7).

Ilustracja 7: dzięki mniejszym zakłóceniom, które są wynikiem zastosowania zmodyfikowanej techniki przerywania, wzmacniacz ADA4522 zmniejsza skoki napięcia do poziomu szumów. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Od samego wzmacniacza po parametry działania całego układu

Skuteczne zastosowanie szerokopasmowych wzmacniaczy o zerowym dryfcie wymaga starannego rozważenia kwestii na poziomie układu, jak również wzmacniacza. Krytyczne znaczenie ma zrozumienie, gdzie w widmie częstotliwości znajdują się pozostałe artefakty częstotliwości oraz zrozumienie ich oddziaływania.

Częstotliwość przerywania jest zwykle, ale nie zawsze podana w arkuszu danych. Można ją również określić patrząc na wykres widma szumów. Na przykład w arkuszu danych wzmacniacza ADA4528 wyraźnie określono częstotliwość przerywania na 200kHz. Można ją również zobaczyć na wykresie gęstości szumów (ilustracja 8).

Ilustracja 8: specyfikacja częstotliwości przerywania 200kHz wzmacniacza ADA4528 podana w arkuszu danych znajduje odzwierciedlenie na wykresie gęstości szumów dla urządzenia. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

W arkuszu danych wzmacniacza ADA4522 podano, że częstotliwość przerywania wynosi 4,8MHz, a pętla korekcji niezrównoważenia i tętnienia działa przy częstotliwości 800kHz. Wykres gęstości szumów na ilustracji 9 pokazuje te szczytowe wartości szumów. Przy częstotliwości 6MHz widać również wybicie szumów wynikające ze zmniejszonego marginesu fazy pętli przy wzmocnieniu jednostkowym, choć nie jest to zjawisko występujące tylko we wzmacniaczach o zerowym dryfcie.

Ilustracja 9: wykres gęstości szumów dla wzmacniacza ADA4522 pokazuje nie tylko częstotliwość przerywania, ale także inne wartości szczytowe szumów spowodowane różnymi źródłami. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Projektanci powinni pamiętać, że częstotliwość określona w arkuszu danych jest wartością typową i może się różnić w poszczególnych egzemplarzach. Dlatego też w projekcie układu wymagającym dwóch wzmacniaczy z funkcją przerywania dla wielu kanałów kondycjonowania sygnału powinno się stosować wzmacniacz podwójny. Jest tak dlatego, że dwa pojedyncze wzmacniacze mogą mieć nieco inne częstotliwości przerywania, co z kolei może mieć dodatkowy wpływ i powodować dodatkową intermodulację pasywną (IMD).

Inne warunki projektowe na poziomie układu to m.in.:

• Dopasowanie impedancji wejście-źródło: zakłócenia prądu w stanie nieustalonym oddziałują z impedancją wejście-źródło, powodując błędy napięcia różnicowego, co może powodować dodatkowe artefakty przy wielokrotnościach częstotliwości przerywania. Aby zminimalizować to potencjalne źródło błędów, każde wejście wzmacniacza z funkcją przerywania powinno być tak zaprojektowane, aby miało tę samą impedancję.
• Artefakty wynikające z intermodulacji pasywnej (IMD) i aliasingu: sygnał wejściowy wzmacniacza z funkcją przerywania może być mieszany z częstotliwością przerywania, f_CHOP., aby utworzyć intermodulację pasywną (IMD) na iloczynach sumy i różnicy ich harmonicznych: f_IN ± f_CHOP, f_IN ± 2f_CHOP, 2f_IN ± F._CHOP itd. Powyższe iloczyny intermodulacji pasywnej (IMD) mogą pojawić się w interesującym nas paśmie, zwłaszcza gdy f_IN zbliża się do częstotliwości przerywania. Jednak dobór wzmacniacza o zerowym dryfcie i częstotliwości przerywania znacznie większej od szerokości pasma sygnału wejściowego znacznie minimalizuje ten problem, zapewniając filtrowanie wspomnianych potencjalnych czynników zakłócających przed wzmacniaczem przy częstotliwościach zbliżonych do f_CHOP.

Artefakty przerywania można również poddać aliasingowi podczas próbkowania wyjścia wzmacniacza za pomocą przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC). Specyfika iloczynów intermodulacji pasywnej (IMD) zależy od wielkości zakłóceń i tętnień oraz może się różnić pomiędzy poszczególnymi egzemplarzami, więc często konieczne jest włączenie filtrów antyaliasingowych przed przetwornikiem analogowo-cyfrowym (ADC) w celu ograniczenia wspomnianej intermodulacji pasywnej (IMD).

Nic dziwnego, że filtrowanie ma kluczowe znaczenie dla pełnego wykorzystania potencjału wzmacniaczy o zerowym dryfcie, ponieważ jest to najskuteczniejszy sposób radzenia sobie z artefaktami wysokiej częstotliwości na poziomie układu. Filtr dolnoprzepustowy między wzmacniaczem o zerowym dryfcie a przetwornikiem analogowo-cyfrowym (ADC) redukuje artefakty przerywania i zapobiega aliasingowi.

Wzmacniacze o zerowym dryfcie z wyższymi częstotliwościami przerywania mają mniejsze wymagania co do filtra dolnoprzepustowego (LPF) i można przy nich zastosować szersze pasma sygnałowe. Tym niemniej, w zależności od stopnia filtracji sygnałów pozapasmowych wymaganego przez układ i łańcuch sygnałowy, może być potrzebny nie tylko filtr prosty, ale filtr aktywny wysokiego poziomu.

Firma ADI oferuje różne zasoby pozwalające przyspieszyć i uprościć projektowanie filtrów, w tym samouczek dotyczący wielokrotnego filtra sprzężenia zwrotnego (MT-220) oraz narzędzie Wizard do projektowania filtrów. Znajomość częstotliwości występowania artefaktów przerywania pomoże w stworzeniu potrzebnego filtra (ilustracja 10).

Ilustracja 10: tabela zawiera podsumowanie typów szumów i ich lokalizacji widmowej dla wzmacniaczy o zerowym dryfcie i stanowi przydatny przewodnik do oceny potrzebnego rodzaju filtra oraz jego lokalizacji. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Wykorzystanie całego dostępnego potencjału

Jednym z problemów, z jakimi borykają się projektanci podczas korzystania z najwyższej klasy komponentów w połączeniu ze starannie projektowanym układem, jest duże znaczenie błędów resztkowych. Źródła błędów, które były wcześniej nieistotne lub niewidoczne, są tutaj czynnikami uniemożliwiającymi osiągnięcie najwyższych parametrów działania (jest to sytuacja analogiczna do wysychania rzeki podczas suszy i odsłaniania po raz pierwszy ukrytych dotąd właściwości dorzecza). Innymi słowy, gdy zminimalizujemy źródła błędów pierwszego i drugiego rzędu, problemem staną się źródła błędów trzeciego rzędu.

Na przykład, dla wzmacniaczy o zerowym dryfcie i ich analogowych kanałów sygnałowych, jednym z potencjalnych źródeł błędów niezrównoważenia jest napięcie Seebecka na płytce drukowanej. Napięcie to występuje na styku dwóch różnych metali i jest funkcją temperatury złącza. Najczęstszymi metalowymi złączami na płytce drukowanej są ścieżki między lutowiem a płytką i odprowadzenia między lutowiem a komponentem.

Przyjrzyjmy się przekrojowi komponentu do montażu powierzchniowego przylutowanego do płytki drukowanej (PCB) (ilustracja 11). Różnice temperatury na całej płytce, np. przy wartości TA1 różnej od wartości TA2, skutkuje niedopasowaniem napięć Seebecka na złączach lutowniczych, powodując temperaturowe błędy napięcia, które pogarszają parametry działania wzmacniaczy o zerowym dryfcie przy ultraniskich napięciach niezrównoważenia.

Ilustracja 11: ponieważ zaawansowane wzmacniacze o zerowym dryfcie znacznie redukują błędy, wyzwaniem, którym trzeba się zająć, stają się mniej oczywiste źródła błędów, takie jak te spowodowane gradientami temperatury i napięciem Seebecka. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Aby zminimalizować wspomniane zjawisko termoparowe, rezystory należy ustawić tak, aby różne źródła ciepła równomiernie ogrzewały oba końce. O ile to możliwe, ścieżki sygnału wejściowego powinny zawierać komponenty w liczbie i typie odpowiednim do liczby i typu połączeń termoparowych. Jeśli chodzi o termoelektryczne źródła błędów, można zastosować komponenty zastępcze, np. rezystory zeroomowe (jednocześnie instalując rezystory o rzeczywistym działaniu na przeciwległej ścieżce wejściowej). Umieszczenie dopasowanych komponentów w bliskiej odległości i ustawianie ich w ten sam sposób zapewni równe napięcia Seebecka i jednocześnie eliminację błędów temperaturowych.

Ponadto, aby utrzymać równowagę przewodnictwa cieplnego, może być konieczne użycie odprowadzeń o jednakowej długości. Położenie źródeł ciepła na płytce należy planować jak najdalej od obwodu wejściowego wzmacniacza. Ponadto, aby pomóc rozprowadzić ciepło na całej płytce a w rezultacie utrzymać na niej stałą temperaturę i zmniejszyć podatność na zakłócenia elektromagnetyczne (EMI), można użyć płaszczyzn uziemienia.

Podsumowanie

Współczesne układy scalone o zerowym dryfcie zapewniają bardzo stabilne i dokładne parametry działania, dzięki czemu stanowią rozwiązanie dla wyzwań stawianych przez analogowe układy front-end (AFE) w rzeczywistych zastosowaniach wymagających precyzji i spójności przy przechwytywaniu sygnałów o bardzo niskiej częstotliwości. Rozwiązują one odwieczny problem dokładnego wzmacniania sygnałów prądu stałego oraz bliskich sygnałom prądu stałego, a także stanowią rozwiązanie w wielu sytuacjach, w których wymagane jest szersze pasmo. Łącząc obie znane techniki budowania takich wzmacniaczy w jeden układ scalony - czyli stabilizację czoperową i automatyczne zerowanie - projektanci wykorzystują zalety obu podejść, co również znacznie minimalizuje artefakty i ewentualne wady.