วิธีบรรลุทั้งความแม่นยำของ DC และแบนด์วิดท์กว้างโดยใช้ตัวขยายสัญญาณแบบ Zero-Drift

มีสัญญาณเซ็นเซอร์ในโลกนี้มากมาย โดยเฉพาะสัญญาณที่เกี่ยวข้องกับปรากฏการณ์ทางธรรมชาติ ซึ่งแสดงการเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อยและช้ามากเมื่อเทียบกับเวลา การเปลี่ยนแปลงที่ละเอียดอ่อนเหล่านี้มีความสำคัญต่อการพัฒนาข้อมูลเชิงลึกและความเข้าใจในสถานการณ์นั้น ๆ โดยในหลาย ๆ ตัวอย่าง เช่น สเตรนเกจที่ตรวจสอบการเคลื่อนไหวของสะพานหรือโครงสร้าง ทรานสดิวเซอร์ใต้น้ำสำหรับการไหลของกระแสน้ำ ปรากฏการณ์ที่เกี่ยวข้องกับอุณหภูมิ เครื่องวัดความเร่งที่ตรวจจับการเคลื่อนไหวที่เกี่ยวข้องกับแผ่นดินไหวและการเคลื่อนตัวของแผ่นเปลือกโลก เอาต์พุตจากเซ็นเซอร์ออปติกต่าง ๆ และสัญญาณไบโอโพเทนเซียลเกือบทั้งหมด

การจับสัญญาณระดับต่ำมากอย่างมีประสิทธิภาพและแม่นยำเป็นสิ่งที่ท้าทายมาโดยตลอด ซึ่งสัญญาณรบกวนก็อาจเกิดความเสียหายได้ง่าย ดังนั้นการขยายสัญญาณจึงมีความสำคัญต่อการได้มาซึ่งขนาดสัญญาณที่ต้องการและรักษาอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน (SNR) ความถี่ค่าต่ำของสัญญาณเหล่านี้ได้เพิ่มความท้าทาย โดยสัญญาณดังกล่าวมักจะมีค่าหลักหน่วยหรือหลักสิบเฮิรตซ์ (Hz) และเรียกโดยทั่วไปว่า "สัญญาณ DC"

ค่าออฟเซ็ต DC ตั้งต้นใด ๆ ในพารามิเตอร์ของตัวขยายสัญญาณจะลดประสิทธิภาพของสายสัญญาณ ตัวอย่างค่าออฟเซ็ตเหล่านั้นได้แก่ กระแสไบอัสหรือค่าชดเชยแรงดัน และสัญญาณรบกวน 1/f (พิ้งค์นอยซ์) ที่เกิดขึ้นเอง ตลอดจนการเปลี่ยนแปลงประสิทธิภาพที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ตามมาเนื่องจากการคลาดเคลื่อนของอุณหภูมิ การเปลี่ยนแปลงของรางจ่ายไฟ หรือการเสื่อมของส่วนประกอบ

เดิมทีสิ่งที่เรียกว่าตัวขยายสัญญาณแบบ “Zero-drift” นั้นสามารถใช้กับงานที่มีแบนด์วิธต่ำ เนื่องจากเทคนิคการลดข้อผิดพลาดแบบไดนามิกทำให้เกิดสิ่งแปลกปลอมมากเกินไปที่ความถี่ที่สูงขึ้น อย่างไรก็ตาม นั่นเป็นข้อจำกัดที่จำกัดมาก เนื่องจากสัญญาณที่คล้ายสัญญาณ DC เหล่านี้อาจมีค่ากิจกรรมที่แบนด์วิธกว้างขึ้นและมีความถี่ที่สูงขึ้นที่สำคัญสูงขึ้นอย่างฉับพลัน เช่น เมื่อโครงสร้างแตกหักทันทีหรือเกิดแผ่นดินไหว

ด้วยเหตุผลนี้ ตัวขยายสัญญาณฟรอนต์เอนด์ที่มีการดริฟต์ต่ำมากในสัญญาณที่คล้ายสัญญาณ DC และมีประสิทธิภาพที่ดีในความถี่ที่สูงขึ้นจึงเป็นที่ต้องการอย่างมาก ซึ่งการปรับปรุงโทโพโลยีและการออกแบบทำให้สามารถพัฒนาไอซีตัวขยายสัญญาณแบบ Zero-drift สำหรับการทำงานจาก DC ไปสู่ความถี่ที่สูงขึ้น ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วจะเป็นการขจัดออฟเซ็ต การเบี่ยงเบนของพารามิเตอร์ และสัญญาณรบกวน 1/f

บทความนี้จะใช้ชิ้นส่วนจาก Analog Devices (ADI) เพื่อแสดงให้เห็นเฉพาะพารามิเตอร์ของตัวขยายสัญญาณแบบ Zero-drift รวมถึงประเด็นต่าง ๆ จากนั้นจะดูว่าฟังก์ชันตัวขยายสัญญาณแบบ Zero-drift เกิดขึ้นจริงได้อย่างไร รวมถึงเทคนิคในการปรับปรุงประสิทธิภาพของตัวขยายสัญญาณและสายสัญญาณที่เกี่ยวข้อง

การจัดการกับดริฟต์ที่ไม่เป็นศูนย์

ดริฟต์เป็นการเปลี่ยนแปลงประสิทธิภาพการทำงานพื้นฐาน และเกิดจากผลกระทบทางความร้อนต่าง ๆ ในเซ็นเซอร์เป็นหลัก แต่ไม่ใช่ทั้งหมด รวมถึงวงจรฟรอนต์เอนด์แบบอนาล็อก (AFE) วิธีแก้ปัญหาแบบดั้งเดิมเพื่อให้ค่าดริฟท์ใกล้ศูนย์คือการใช้ตัวขยายสัญญาณที่เสถียรด้วยชอปเปอร์ซึ่งจะปรับสัญญาณความถี่ต่ำ (มักเรียกว่าสัญญาณ DC) ให้เป็นความถี่ที่สูงขึ้นซึ่งง่ายต่อการควบคุมและกรอง การดีมอดูเลชันเอาต์พุตสเตจที่ตามมาโดยตัวขยายสัญญาณจะคืนค่าสัญญาณดั้งเดิม แต่อยู่ในรูปแบบขยาย ซึ่งเทคนิคนี้ใช้ได้ผลและใช้มาหลายปีแล้ว

"สัญญาณ DC" เป็นคำเรียกที่ผิด หากเรียกว่า "สัญญาณใกล้ DC" จะใกล้เคียงกว่า หากสัญญาณเป็นสัญญาณ DC จริงและมีค่าคงที่ ก็จะไม่มีความแปรผันที่มีข้อมูล แทนที่จะเป็นความแปรผันแบบช้าที่น่าสนใจ ถึงกระนั้น คำที่ใช้เรียกทั่วไปก็คือ "สัญญาณ DC"

อีกทางเลือกหนึ่งนอกเหนือจากการทำให้เสถียรโดยใช้ชอปเปอร์คือวิธีการ "ปรับศูนย์อัตโนมัติ" โดยเทคนิคนี้ใช้การแก้ไขแบบไดนามิกเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่คล้ายคลึงกัน แต่มีชุดประสิทธิภาพที่แตกต่างกันเล็กน้อย ตัวขยายสัญญาณทำงานแบบ Zero-drift สามารถใช้การชอปปิ้ง, การปรับศูนย์อัตโนมัติ หรือทั้งสองเทคนิคร่วมกันเพื่อลบแหล่งที่มาของข้อผิดพลาดความถี่ต่ำที่ไม่ต้องการ อีกครั้ง มีปัญหาเกี่ยวกับคำศัพท์เล็กน้อย: คำว่า "Zero-drift" นั้นทำให้เข้าใจผิดเล็กน้อย: แม้ว่าตัวขยายสัญญาณเหล่านี้จะมีค่าดริฟท์ที่ต่ำและใกล้เคียงกับศูนย์มาก แต่ก็ไม่สมบูรณ์แบบ แม้ว่าจะใกล้เคียงมากก็ตาม แต่ละเทคนิคมีข้อดีและข้อเสียและนำไปใช้งานที่แตกต่างกัน:

• การชอปปิ้งจะใช้การมอดูเลตสัญญาณและการดีโมดูเลชัน และมีสัญญาณรบกวนเบสแบนด์ที่ต่ำกว่า แต่ยังสร้างสัญญาณแปลกปลอมที่ความถี่การชอปปิ้งและฮาร์มอนิกด้วย
• อีกแบบหนึ่งคือการปรับศูนย์อัตโนมัติที่ใช้วงจรสุ่มตัวอย่างและคงไว้ ซึ่งเหมาะสำหรับการใช้งานแถบความถี่ที่กว้างขึ้น แต่มีสัญญาณรบกวนแรงดันไฟฟ้าในแถบความถี่มากกว่าเนื่องจากสัญญาณรบกวน "Foldback" ไปยังส่วนเบสแบนด์ของสเปกตรัม
• ไอซีตัวขยายสัญญาณแบบ Zero-drift ขั้นสูงผสมผสานทั้งสองเทคนิคเพื่อนำเสนอสิ่งที่ดีที่สุดของทั้งสองแบบ ไอซีจะจัดการความหนาแน่นสเปกตรัมของสัญญาณรบกวน (NSD) เพื่อให้สัญญาณรบกวนเบสแบนด์ต่ำลง ในขณะที่ลดข้อผิดพลาดความถี่สูง เช่น การกระเพื่อม ความบกพร่อง และการบิดเบือนระหว่างการมอดูเลต (IMD) (รูปที่ 1)

รูปที่ 1: ตัวขยายสัญญาณอนาล็อกแต่ละประเภทมีความหนาแน่นสเปกตรัมของสัญญาณรบกวน (NSD) ที่ไม่ซ้ำกัน ตัวขยายสัญญาณแบบ Zero-drift ยอมรับประสิทธิภาพ NSD ของวิธีการปรับให้เป็นศูนย์อัตโนมัติและแบบชอปปิ้งเพื่อให้ได้ค่าดริฟต์ที่ยอมรับได้มากขึ้น (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

เริ่มต้นด้วยการชอปปิ้ง

ตัวขยายสัญญาณที่เสถียรโดยใช้ชอปเปอร์ (เรียกอีกอย่างว่าชอปปิ้งแอมพลิฟายเออร์หรือแค่ "ชอปเปอร์") ใช้วงจรชอปเปอร์เพื่อแยกสัญญาณอินพุตเพื่อให้สามารถประมวลผลได้ราวกับว่าเป็นสัญญาณ AC ที่ผ่านการมอดูเลต จากนั้นจะแยกสัญญาณกลับเป็นสัญญาณ DC ที่เอาต์พุตเพื่อแยกสัญญาณดั้งเดิม

ด้วยวิธีนี้สามารถขยายสัญญาณ DC ที่มีขนาดเล็กมากได้ในขณะที่ผลกระทบของการดริฟต์ที่ไม่ต้องการจะลดลงอย่างมากจนเกือบเป็นศูนย์ การมอดูเลตแบบชอปปิ้งจะแยกออฟเซ็ตและสัญญาณรบกวนความถี่ต่ำออกจากสัญญาณหลักโดยมอดูเลตข้อผิดพลาดเป็นความถี่ที่สูงขึ้น ซึ่งสามารถลดหรือลบออกได้ง่ายกว่ามากผ่านการกรอง

รายละเอียดการทำงานของการชอปปิ้งสามารถเข้าใจได้ง่ายขึ้นเมื่อเทียบกับเวลา (รูปที่ 2) สัญญาณอินพุต (a) ถูกมอดูเลตโดยสัญญาณชอปปิ้ง (b) เป็นคลื่นสี่เหลี่ยม สัญญาณนี้ถูกดีมอดูเลต (c) ที่เอาต์พุต (d) กลับไปที่ DC ข้อผิดพลาดความถี่ต่ำโดยธรรมชาติ (รูปคลื่นสีแดง) ในตัวขยายสัญญาณคือ (c) มอดูเลตที่เอาต์พุตเป็นคลื่นสี่เหลี่ยม ซึ่งจากนั้น (d) กรองโดยตัวกรองความถี่ต่ำ (LPF)

รูปที่ 2: รูปคลื่นโดเมนเวลาของสัญญาณอินพุต V_IN (สีน้ำเงิน) และข้อผิดพลาด (สีแดง) ที่ (a) อินพุต, (b) V1, (c) V2 และ (d) V_OUT สำหรับเทคนิคการชอปปิ้งเบื้องต้น (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

การวิเคราะห์โดเมนความถี่ยังเป็นประโยชน์อีกด้วย (รูปที่ 3) สัญญาณอินพุต (a) ถูกมอดูเลตเป็นความถี่ชอปปิ้ง (b) ซึ่งประมวลผลโดยเกนสเตจที่ f_CHOP, ดีมอดูเลตที่เอาต์พุตกลับไปที่ DC (c) และสุดท้ายผ่าน LPF (d) แหล่งกำเนิดออฟเซตและสัญญาณรบกวน (สัญญาณสีแดง) ของตัวขยายสัญญาณได้รับการประมวลผลที่ DC ผ่านเกนสเตจ ซึ่งมอดูเลตเป็น f_CHOP โดยสวิตช์สับเอาต์พุต (c) และสุดท้ายกรองโดย LPF (d) เนื่องจากใช้การมอดูเลตคลื่นสี่เหลี่ยม การมอดูเลตจึงเกิดขึ้นรอบๆ ความถี่การมอดูเลตทวีคูณคี่

รูปที่ 3: สเปกตรัมในโดเมนความถี่ของสัญญาณ (สีน้ำเงิน) และข้อผิดพลาด (สีแดง) ที่อินพุต (a), (b) V1, (c) V2 และ (d) V_OUT ยังเป็นมุมมองที่สำคัญ (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

แน่นอนว่าไม่มีการออกแบบใดที่สมบูรณ์แบบ ทั้งภาพโดเมนเวลาและโดเมนความถี่แสดงให้เห็นว่าจะมีข้อผิดพลาดหลงเหลืออยู่เนื่องจากการมอดูเลตสัญญาณรบกวนและออฟเซต เนื่องจาก LPF ไม่ใช่ "กำแพงอิฐ" ที่สมบูรณ์แบบ

ไปที่การปรับศูนย์อัตโนมัติ

การปรับศูนย์อัตโนมัติเป็นเทคนิคการแก้ไขแบบไดนามิกที่ทำงานโดยการสุ่มตัวอย่างและลบแหล่งที่มาของข้อผิดพลาดความถี่ต่ำในตัวขยายสัญญาณ ตัวขยายสัญญาณที่มีการปรับศูนย์อัตโนมัติขั้นพื้นฐานประกอบด้วยตัวขยายสัญญาณที่มีออฟเซตและสัญญาณรบกวนที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ สวิตช์เพื่อกำหนดค่าอินพุตและเอาต์พุตใหม่ และตัวเก็บประจุการสุ่มตัวอย่างการปรับศูนย์อัตโนมัติ (รูปที่ 4)

รูปที่ 4: รูปแบบตัวขยายสัญญาณที่มีการปรับศูนย์อัตโนมัติแสดงสวิตช์ที่ใช้เพื่อกำหนดเส้นทางของสัญญาณใหม่ และเพื่อจับข้อผิดพลาดโดยธรรมชาติของตัวขยายสัญญาณบนตัวเก็บประจุ (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

ในช่วงเฟสศูนย์อัตโนมัติ (ϕ₁) อินพุตของวงจรจะลัดวงจรเป็นแรงดันไฟฟ้าทั่วไป และตัวเก็บประจุที่เป็นปรับศูนย์อัตโนมัติจะสุ่มตัวอย่างแรงดันออฟเซ็ตอินพุตและสัญญาณรบกวน โปรดทราบว่าตัวขยายสัญญาณนั้น "ไม่พร้อมใช้งาน" สำหรับการขยายสัญญาณในช่วงนี้ เนื่องจากกำลังยุ่งอยู่กับงานอื่น ดังนั้น เพื่อให้ตัวขยายสัญญาณที่มีการปรับศูนย์อัตโนมัติทำงานอย่างต่อเนื่อง ต้องมีการแทรกช่องสัญญาณสองช่องที่เหมือนกันในสิ่งที่เรียกว่า การปรับศูนย์อัตโนมัติแบบ "ปิงปอง"

ระหว่างเฟสการขยายสัญญาณ (ϕ₂) อินพุตเชื่อมต่อกลับไปที่เส้นทางสัญญาณ และตัวขยายสัญญาณจะพร้อมใช้งานอีกครั้งเพื่อขยายสัญญาณ เสียงรบกวนความถี่ต่ำ การชดเชย และการเบี่ยงเบนจะถูกยกเลิกโดยการปรับศูนย์อัตโนมัติ ข้อผิดพลาดที่เหลือคือความแตกต่างระหว่างค่ากระแสและตัวอย่างข้อผิดพลาดก่อนหน้า

เนื่องจากแหล่งที่มาของข้อผิดพลาดความถี่ต่ำไม่เปลี่ยนแปลงจาก ϕ ₁ เป็น ϕ₂ มากนัก การลบนี้ใช้ได้ดี อย่างไรก็ตาม สัญญาณรบกวนความถี่สูงจะถูกลดระดับลงไปที่เบสแบนด์ และส่งผลให้พื้นสัญญาณรบกวนสีขาวเพิ่มขึ้น (รูปที่ 5)

รูปที่ 5: ความหนาแน่นสเปกตรัมของพลังงานเสียงถูกกำหนดขึ้นโดยการชอปปิ้งและการปรับเป็นศูนย์อัตโนมัติ ดังที่เห็น (จากซ้ายไปขวา) ก่อนการปรับเป็นศูนย์อัตโนมัติ หลังการปรับเป็นศูนย์อัตโนมัติ หลังการชอปปิ้ง และหลังการชอปปิ้งและการปรับเป็นศูนย์อัตโนมัติ (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

ประสิทธิภาพของตัวขยายสัญญาณไอซีปรับเป็นศูนย์อัตโนมัติขั้นสูงนั้นน่าประทับใจ โดยทั่วไปแล้วจะดีกว่าแม้แต่ออปแอมป์ที่มีความแม่นยำ "ดีมาก" หนึ่งถึงสองลำดับในข้อกำหนดออฟเซ็ตวิกฤต การดริฟต์ และสัญญาณรบกวน ดังนั้น แม้ว่าตัวเลขจะไม่ใช่ศูนย์อย่างชัดเจน แต่ก็มีค่าใกล้เคียงมาก

ตัวอย่างเช่น ADA4528 เป็นตัวขยายสัญญาณแบบช่องสัญญาณเดียวแบบรางต่อราง (RTR) ที่มีแรงดันออฟเซ็ตสูงสุด 2.5 ไมโครโวลต์ (μV) แรงดันออฟเซ็ตสูงสุดเพียง 0.015 μV/°C และความหนาแน่นของแรงดันสัญญาณรบกวน 5.6 นาโนโวลต์ต่อรูตเฮิรตซ์ (nV)/√Hz) (ที่ f = 1 กิโลเฮิรตซ์ (kHz), เกน +100) และ 97 nV_peak-peak (สำหรับ f = 0.1 Hz ถึง 10 Hz, เกน +100) ADA4522 ซึ่งเป็นตัวขยายสัญญาณแบบ Zero-drift RTR แบบช่องสัญญาณเดียวอีกตัว ให้แรงดันออฟเซ็ตสูงสุด 5 μV แรงดันออฟเซ็ตสูงสุด 22 nV/°C ความหนาแน่นของแรงดันสัญญาณรบกวน 5.8 nV/√Hz (ทั่วไป) และ 117 nV_peak-peak ตั้งแต่ 0.1 Hz ถึง 10 Hz (ทั่วไป) พร้อมด้วยกระแสไบอัสอินพุตที่ 50 picoamps (pA) (ทั่วไป)

สิ่งแปลกปลอมสามารถลด "ความสมบูรณ์แบบ" ได้

แม้ว่าการชอปปิ้งจะทำงานได้ดีในการลบออฟเซ็ต การดริฟต์ และสัญญาณรบกวน 1/f ที่ไม่ต้องการ แต่โดยเนื้อแท้แล้วจะสร้างสิ่งแปลกปลอมกระแสสลับที่ไม่ต้องการ เช่น การกระเพื่อมของเอาต์พุตและความบกพร่อง อย่างไรก็ตาม เนื่องจากการตรวจสอบอย่างรอบคอบถึงสาเหตุที่แท้จริงของสิ่งแปลกปลอมแต่ละวงจร ตามด้วยการใช้โทโพโลยีและแนวทางกระบวนการขั้นสูงหรือซับซ้อน ผลิตภัณฑ์ Zero-drift จาก Analog Devices ได้ทำให้ขนาดของสิ่งแปลกปลอมเหล่านี้เล็กลงมาก และอยู่ที่ความถี่ที่สูงขึ้น ง่ายต่อการกรองในระดับระบบ สิ่งแปลกปลอมเหล่านี้รวมถึง:

การกระเพื่อม (Ripple): ผลลัพธ์พื้นฐานของเทคนิคการมอดูเลตแบบชอปปิ้งที่ย้ายข้อผิดพลาดความถี่ต่ำเหล่านี้ไปยังฮาร์มอนิกคี่ของความถี่การชอปปิ้ง นักออกแบบตัวขยายสัญญาณใช้วิธีต่าง ๆ มากมายเพื่อลดผลกระทบของการกระเพื่อมรวมถึง:

• การปรับออฟเซต: การปรับครั้งแรกเพียงครั้งเดียวสามารถลดออฟเซตทั่วไปลงได้อย่างมาก แต่ออฟเซตดริฟท์และสัญญาณรบกวน 1/f ยังคงอยู่
• การรวมการชอปปิ้งและการปรับศูนย์อัตโนมัติ: ตัวขยายสัญญาณจะถูกปรับให้เป็นศูนย์อัตโนมัติก่อน จากนั้นจึงชอปปิ้งเพื่อปรับเพิ่มความหนาแน่นสเปกตรัมของสัญญาณรบกวน (NSD) ที่เพิ่มขึ้นให้มีความถี่สูงขึ้น (ดังที่เห็นในรูปก่อนหน้า ซึ่งแสดงสเปกตรัมสัญญาณรบกวนที่เกิดขึ้นหลังจากการชอปปิ้งและการปรับเป็นศูนย์อัตโนมัติ)
• การป้อนกลับแก้ไขอัตโนมัติ (ACFB): สามารถใช้วงจรป้อนกลับภายในเพื่อตรวจจับการกระเพื่อมที่มอดูเลตที่เอาต์พุตและลบล้างข้อผิดพลาดความถี่ต่ำที่แหล่งที่มา

ความบกพร่อง (Glitches) : ค่าสูงขึ้นชั่วคราวที่เกิดจากการจ่ายประจุที่ไม่ตรงกันจากสวิตช์ชอปปิ้ง ขนาดของความผิดพลาดเหล่านี้ขึ้นอยู่กับหลายปัจจัย รวมถึงอิมพีแดนซ์ของแหล่งที่มาและจำนวนประจุที่ไม่ตรงกัน

ความผิดพลาดที่สูงขึ้นชั่วขณะไม่เพียงทำให้เกิดสิ่งแปลกปลอมที่ฮาร์มอนิกคู่ของความถี่การชอปปิ้งเท่านั้น แต่ยังสร้างออฟเซ็ต DC ที่เหลือตามสัดส่วนของความถี่การชอปปิ้งอีกด้วย รูปที่ 6 (ซ้าย) แสดงให้เห็นว่าค่าสูงชั่วขณะเหล่านี้มีลักษณะอย่างไรภายในชอปสวิตช์ที่ V1 และหลังจากชอปสวิตช์เอาต์พุตที่ V2 สัญญาณแปลกปลอมความบกพร่องเพิ่มเติมที่ฮาร์มอนิกของความถี่การชอปเกิดจากแบนด์วิธของตัวขยายสัญญาณที่มีจำกัด (รูปที่ 6 ขวา)

รูปที่ 6: แรงดันไฟบกพร่อง (ซ้าย) จากการชาร์จประจุที่ V1 (ด้านในชอปสวิตช์) และ V2 (ด้านนอกชอปสวิตช์) ความบกพร่อง (ขวา) ที่เกิดจากแบนด์วิธของตัวขยายสัญญาณที่มีจำกัดที่ V1 และที่ V2 (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

เช่นเดียวกับการกระเพื่อม นักออกแบบตัวขยายสัญญาณได้คิดค้นและนำเทคนิคที่ละเอียดอ่อนแต่มีประสิทธิภาพมาใช้เพื่อลดผลกระทบจากความผิดพลาดในตัวขยายสัญญาณแบบ Zero-drift

• การปรับการชาร์จประจุ: สามารถชาร์จประจุได้เข้าไปในอินพุตของตัวขยายสัญญาณแบบชอปปิ้งเพื่อชดเชยประจุที่ไม่ตรงกัน ซึ่งจะลดปริมาณกระแสอินพุตที่อินพุตของออปแอมป์
• การชอปปิ้งหลายช่อง: สิ่งนี้ไม่เพียงลดขนาดความผิดพลาด แต่ยังย้ายความผิดพลาดไปยังความถี่ที่สูงขึ้น ทำให้การกรองง่ายขึ้น เทคนิคนี้ส่งผลให้เกิดความผิดพลาดบ่อยขึ้นแต่มีขนาดที่เล็กกว่าการชอปปิ้งด้วยความถี่ที่สูงกว่า

การสาธิตที่ชัดเจนของการชอปปิ้งหลายช่องสัญญาณสามารถเห็นได้ในการเปรียบเทียบระหว่างตัวขยายสัญญาณแบบ Zero-drift (A) ทั่วไปกับ ADA4522 ซึ่งใช้เทคนิคนี้เพื่อลดผลกระทบจากความบกพร่องได้เป็นอย่างมาก (รูปที่ 7)

รูปที่ 7: เนื่องจากการบกพร่องของสัญญาณรบกวนที่น้อยลงซึ่งเป็นผลมาจากเทคนิคการชอปปิ้งผ่านที่ปรับเปลี่ยน ทำให้ ADA4522 ลดแรงดันไฟฟ้าสูงชั่วขณะลงไปที่ระดับเสียงรบกวน (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

ตั้งแต่ตัวขยายสัญญาณเพียงอย่างเดียวไปจนถึงประสิทธิภาพของระบบ

การใช้ตัวขยายสัญญาณแบบ Zero-drift แบบแบนด์วิดธ์อย่างมีประสิทธิภาพจำเป็นต้องพิจารณาอย่างรอบคอบเกี่ยวกับปัญหาระดับระบบเช่นเดียวกับตัวขยายสัญญาณ การทำความเข้าใจว่าสิ่งแปลกปลอมความถี่ที่เหลืออยู่ในสเปกตรัมความถี่ และผลกระทบของคลื่นความถี่นั้นมีความสำคัญอย่างยิ่ง

โดยปกติแล้วความถี่ชอปปิ้งจะไม่ได้ระบุไว้ในแผ่นข้อมูลเสมอไป แต่ก็สามารถดูได้ที่พล็อตสเปกตรัมของสัญญาณรบกวน ตัวอย่างเช่น เอกสารข้อมูลของ ADA4528 ระบุความถี่ชอปปิ้งอย่างชัดเจนที่ 200 kHz สามารถดูได้จากแผนภาพความหนาแน่นของสัญญาณรบกวน (รูปที่ 8)

รูปที่ 8: ข้อมูลจำเพาะของเอกสารข้อมูล ADA4528 ที่ระบุความถี่ชอปปิ้งที่ 200 kHz โดยที่ยังสามารถดูกราฟความหนาแน่นของสัญญาณรบกวนสำหรับอุปกรณ์ได้อีกด้วย (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

เอกสารข้อมูล ADA4522 ระบุว่าความถี่ชอปปิ้งคือ 4.8 เมกะเฮิรตซ์ (MHz) โดยมีลูปการแก้ไขออฟเซตและการกระเพื่อมที่ทำงานที่ 800 kHz กราฟความหนาแน่นของสัญญาณรบกวนในรูปที่ 9 แสดงจุดสูงสุดของสัญญาณรบกวนเหล่านี้ นอกจากนี้ยังมีสัญญาณรบกวนที่ 6 MHz เนื่องจากขอบเฟสที่ลดลงของลูปเมื่อได้รับเอกภาพ แต่สิ่งนี้ไม่ซ้ำกับตัวขยายสัญญาณแบบ Zero-drift

รูปที่ 9: กราฟความหนาแน่นของสัญญาณรบกวนสำหรับ ADA4522 ไม่เพียงแต่แสดงความถี่ออฟเซตเท่านั้น แต่ยังแสดงค่าสูงสุดของสัญญาณรบกวนอื่น ๆ เนื่องจากแหล่งที่มาต่าง ๆ (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

นักออกแบบควรระลึกไว้เสมอว่าความถี่ที่ระบุไว้ในเอกสารข้อมูลเป็นค่าทั่วไปและอาจแตกต่างกันไปในแต่ละส่วน ดังนั้น การออกแบบระบบที่ต้องใช้ตัวขยายสัญญาณแบบชอปเปอร์สองตัวสำหรับช่องปรับสัญญาณหลายช่องควรใช้ตัวขยายสัญญาณคู่ เพราะตัวขยายสัญญาณเดี่ยวสองตัวอาจมีความถี่ชอปปิ้งที่แตกต่างกันเล็กน้อย ซึ่งสามารถทำให้เกิด IMD เพิ่มเติมได้

เงื่อนไขการออกแบบระดับระบบอื่นๆ ได้แก่:

• อิมพีแดนซ์อินพุต-ซอร์สที่ตรงกัน: ความบกพร่องของกระแสชั่วคราวมีปฏิกิริยากับอิมพีแดนซ์อินพุต-ซอร์สเพื่อทำให้เกิดข้อผิดพลาดของแรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกัน ซึ่งอาจส่งผลให้เกิดสิ่งแปลกปลอมเพิ่มเติมที่ความถี่ชอปปิ้งแบบทวีคูณ เพื่อลดแหล่งที่มาของข้อผิดพลาดที่อาจเกิดขึ้นนี้ อินพุตแต่ละตัวของตัวขยายสัญญาณแบบชอปเปอร์ควรได้รับการออกแบบให้เห็นอิมพีแดนซ์เดียวกัน
• สิ่งแปลกปลอม IMD และเอเลียสซิง: สัญญาณอินพุตตัวขยายสัญญาณแบบชอปเปอร์สามารถผสมกับความถี่ชอปเปอร์, f_CHOP เพื่อสร้าง IMD จากผลรวมและผลต่างของผลิตภัณฑ์ และฮาร์มอนิก: f_IN ± f_CHOP, f_IN ± 2f_CHOP, 2f_IN ± f_CHOP และอื่น ๆ ผลิตภัณฑ์ IMD เหล่านี้สามารถปรากฏในกลุ่มความสนใจ f_IN เข้าใกล้ความถี่ชอปปิ้ง อย่างไรก็ตาม การเลือกตัวขยายสัญญาณแบบ Zero-drift ที่มีความถี่ชอปปิ้งที่มากกว่าแบนด์วิธของสัญญาณอินพุตช่วยลดปัญหานี้ได้อย่างมาก โดยทำให้มั่นใจว่า "ตัวรบกวน" ที่ความถี่ใกล้เคียงกับ f_CHOP จะถูกกรองก่อนตัวขยายสัญญาณนี้

สิ่งแปลกปลอมชอปปิ้งยังสามารถถูกทดสอบ เมื่อสุ่มตัวอย่างเอาต์พุตของตัวขยายสัญญาณด้วยตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิตอล (ADC) ลักษณะเฉพาะของผลิตภัณฑ์ IMD เหล่านี้ขึ้นอยู่กับขนาดความบกพร่องและการกระเพื่อม และอาจแตกต่างกันไปในแต่ละส่วน ดังนั้นจึงมักจำเป็นต้องรวมตัวกรองลดเอเลียสซิงก่อน ADC เพื่อลด IMD นี้

ไม่น่าแปลกใจที่การกรองมีความสำคัญต่อศักยภาพสูงสุดของตัวขยายสัญญาณแบบ Zero-drift เนื่องจากเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพสูงสุดในการจัดการกับสิ่งรบกวนที่มีความถี่สูงเหล่านี้ในระดับระบบ ตัวกรองความถี่ต่ำระหว่างตัวขยายสัญญาณแบบ Zero-drift และ ADC ช่วยลดการชอปปิ้งและหลีกเลี่ยงเอเลียสซิง

ตัวขยายสัญญาณแบบ Zero-drift ที่มีความถี่ชอปปิ้งที่สูงขึ้นช่วยผ่อนคลายข้อกำหนดของ LPF และอนุญาตให้ใช้แบนด์วิธของสัญญาณที่กว้างขึ้น อย่างไรก็ตาม ขึ้นอยู่กับว่าระบบและสายสัญญาณต้องการการขจัดสัญญาณนอกแบนด์มากเพียงใด อาจต้องใช้ตัวกรองที่ใช้งานอยู่ในลำดับสูงแทนที่จะเป็นตัวกรองธรรมดา

ADI มีแหล่งกำเนิดมากมายเพื่อเพิ่มความเร็วและลดความซับซ้อนของการออกแบบตัวกรอง รวมถึงบทช่วยสอนตัวกรองข้อเสนอแนะหลายรายการ (MT-220) และเครื่องมือออกแบบตัวกรอง Wizard ออนไลน์ การทราบความถี่ที่เกิดการรบกวนจากการชอปปิ้งเหล่านี้จะช่วยในการสร้างตัวกรองที่จำเป็น (รูปที่ 10)

รูปที่ 10: ตารางสรุปประเภทของสัญญาณรบกวนและตำแหน่งเชิงสเปกตรัมสำหรับตัวขยายสัญญาณแบบ Zero-drift และเป็นแนวทางที่มีประโยชน์ในการประเมินว่าต้องการการกรองแบบใดและตำแหน่งใด (แหล่งที่มาของภาพ: Analog Devices)

ประสิทธิภาพข้อสุดท้าย

หนึ่งในปัญหาที่นักออกแบบพบเมื่อใช้ชิ้นส่วนที่เหนือกว่าร่วมกับการออกแบบระบบอย่างรอบคอบ คือตอนนี้แหล่งที่มาของข้อผิดพลาดที่เหลือกลายเป็นสิ่งสำคัญ แหล่งที่มาของข้อผิดพลาดซึ่งก่อนหน้านี้ไม่เกี่ยวข้องหรือมองไม่เห็นในขณะนี้กำลังจำกัดปัจจัยในการบรรลุประสิทธิภาพระดับสูงสุด (ซึ่งคล้ายกับเมื่อแม่น้ำแห้งในฤดูแล้งและมีการเปิดเผยลักษณะใหม่ ๆ ของแม่น้ำเป็นครั้งแรก) กล่าวอีกนัยหนึ่ง แหล่งที่มาของข้อผิดพลาดลำดับที่สามกลายเป็นปัญหาเมื่อแหล่งที่มาของข้อผิดพลาดลำดับที่หนึ่งและลำดับที่สองลดลงหรือถูกตัดออก

ตัวอย่างเช่น สำหรับตัวขยายสัญญาณแบบ Zero-drift และช่องสัญญาณอนาล็อก แหล่งที่มาหนึ่งของข้อผิดพลาดออฟเซ็ตที่เป็นไปได้คือแรงดัน Seebeck บนแผงวงจร ซึ่งแรงดันไฟฟ้านี้เกิดขึ้นที่จุดเชื่อมต่อของโลหะสองชนิดที่ต่างกัน และเป็นสัดส่วนกับอุณหภูมิของจุดเชื่อมต่อ รอยแยกโลหะที่พบมากที่สุดบนแผงวงจรคือรอยประสานกับบอร์ดและสายตะกั่วที่ประสานกับส่วนประกอบ

พิจารณาภาพตัดขวางของส่วนประกอบยึดพื้นผิวที่บัดกรีกับแผงวงจรพิมพ์ (บอร์ดพีซี) (รูปที่ 11) การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิทั่วทั้งบอร์ด เช่น TA1 แตกต่างจาก TA2 ทำให้แรงดัน Seebeck ที่จุดบัดกรีไม่ตรงกัน ส่งผลให้เกิดข้อผิดพลาดของแรงดันความร้อนที่ทำให้ประสิทธิภาพแรงดันออฟเซ็ตช่วงต่ำของตัวขยายสัญญาณแบบ Zero-drift ลดลง

รูปที่ 11: เนื่องจากตัวขยายสัญญาณแบบ Zero-drift ขั้นสูงช่วยลดข้อผิดพลาดลงได้อย่างมาก แหล่งที่มาที่อาจมองไม่เห็น เช่น แหล่งที่เกิดจากการไล่ระดับความร้อนและแรงดันไฟฟ้า Seebeck กลายเป็นความท้าทายและต้องได้รับการแก้ไข (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

เพื่อลดผลกระทบเหล่านี้ ควรวางตัวต้านทานเพื่อให้แหล่งความร้อนต่าง ๆ อุ่นปลายทั้งสองเท่า ๆ กัน หากเป็นไปได้ เส้นทางสัญญาณอินพุตต้องมีหมายเลขและประเภทของส่วนประกอบที่ตรงกันเพื่อให้ตรงกับจำนวนและประเภทของจุดเชื่อมต่อ ส่วนประกอบจำลอง เช่น ตัวต้านทานแบบศูนย์โอห์ม สามารถใช้เพื่อจับคู่แหล่งกำเนิดข้อผิดพลาดของเทอร์โมอิเล็กทริก (กับตัวต้านทานจริงในเส้นทางอินพุตตรงข้ามกัน) การวางส่วนประกอบที่เข้าคู่กันไว้ใกล้กัน และจัดวางในลักษณะเดียวกัน จะช่วยให้ได้แรงดันไฟฟ้า Seebeck ที่เท่ากัน ดังนั้นจึงเป็นการขจัดข้อผิดพลาดด้านความร้อน

นอกจากนี้ อาจจำเป็นต้องใช้สายที่มีความยาวเท่ากันเพื่อให้การนำความร้อนอยู่ในสภาวะสมดุล ควรให้แหล่งความร้อนบนบอร์ดห่างจากวงจรอินพุตของตัวขยายสัญญาณเท่าที่เป็นไปได้ นอกจากนี้ ยังสามารถใช้ระนาบพื้นเพื่อช่วยกระจายความร้อนทั่วทั้งบอร์ดเพื่อรักษาอุณหภูมิให้คงที่ทั่วทั้งบอร์ด และลดสัญญาณรบกวน EMI

สรุป

ไอซีแบบ Zero-drift ในปัจจุบันให้ประสิทธิภาพที่มีความเสถียรและแม่นยำสูง ทำให้เป็นทางออกสำหรับความท้าทายของ AFE ในการใช้งานจริงที่ต้องการความแม่นยำและความสม่ำเสมอเมื่อจับสัญญาณความถี่ต่ำมาก โดยไอซีเหล่านั้นแก้ปัญหาที่มีมาอย่างยาวนานในการขยายสัญญาณ DC หรือสัญญาณที่ใกล้เคียง DC อย่างแม่นยำ เช่นเดียวกับหลาย ๆ สถานการณ์ที่จำเป็นต้องใช้แบนด์วิธที่กว้างขึ้นด้วย และด้วยการผสานสองเทคนิคที่มีอยู่สำหรับการสร้างตัวขยายสัญญาณดังกล่าวไว้ในไอซีเดียว ซึ่งได้แก่ การปรับความเสถียรโดยใช้ชอปเปอร์และการปรับศูนย์อัตโนมัติ นักออกแบบจะได้รับประโยชน์จากข้อดีของแต่ละวิธี ซึ่งยังช่วยลดสิ่งแปลกปลอมและข้อบกพร่องให้เหลือน้อยที่สุดอีกด้วย