Amplificadores operacionales de deriva cero | Analog Devices

¿Qué son los amplificadores de deriva cero?

Los amplificadores de deriva cero corrigen dinámicamente su tensión de offset y remodelan su densidad de ruido. Dos tipos comúnmente utilizados, los amplificadores de autocero y los choppers, consiguen desviaciones de nivel de nanovoltios y desviaciones extremadamente pequeñas debidas al tiempo y la temperatura. El ruido 1/f del amplificador también se considera un error de CC, por lo que también se elimina. Los amplificadores de deriva cero ofrecen muchas ventajas a los diseñadores, ya que la deriva de temperatura y el ruido 1/f, que siempre son molestias en el sistema, son muy difíciles de eliminar. Además, los amplificadores de deriva cero tienen mayor ganancia en bucle abierto, rechazo de la fuente de alimentación y rechazo del modo común que los amplificadores estándar; y su error de salida global es menor que el conseguido por un amplificador de precisión estándar en la misma configuración.

¿Cuáles son las buenas aplicaciones de los amplificadores de deriva cero?

Los amplificadores de deriva cero se utilizan en sistemas con una vida útil prevista de más de 10 años y en cadenas de señales que utilizan ganancias de bucle cerrado elevadas (>100) con señales de bajo nivel de frecuencia (<100 Hz) y baja amplitud. Algunos ejemplos son las balanzas de precisión, los instrumentos médicos, los equipos de metrología de precisión y las interfaces de sensores de infrarrojos, de puente y de termopila.

¿Cómo funciona el autocero?

Los amplificadores de autocero, como las familias AD8538, AD8638, AD8551 y AD8571, suelen corregir el offset de entrada en dos fases de reloj. Durante la fase de reloj A, los interruptores marcados con φA están cerrados, mientras que los marcados con φB están abiertos, como se muestra en la figura 1. La tensión de offset del amplificador de cancelación se mide y se almacena en el condensador CM1.

Figura 1: Fase A del amplificador de autocero: fase de cancelación.

Durante la fase B del reloj, los interruptores etiquetados como φB están cerrados, mientras que los interruptores etiquetados como φA están abiertos, como se muestra en la figura 2. La tensión de desplazamiento del amplificador principal se mide y se almacena en el condensador CM2, mientras que la tensión almacenada en el condensador CM1 ajusta el desplazamiento del amplificador de cancelación. El desplazamiento global se aplica entonces al amplificador principal durante el procesamiento de la señal de entrada.

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Figura 2
Figura 2. Fase B del amplificador de autocero: fase de autocero.

La función de muestreo y retención convierte a los amplificadores de autocero en sistemas de datos muestreados, lo que los hace propensos a los efectos de aliasing y de desviación. A bajas frecuencias, el ruido cambia lentamente, por lo que al restar dos muestras de ruido consecutivas se produce una verdadera cancelación. A frecuencias más altas, esta correlación disminuye, ya que los errores de sustracción hacen que los componentes de banda ancha se plieguen a la banda base. Por tanto, los amplificadores autocero tienen más ruido dentro de la banda que los op amps estándar. Para reducir el ruido de baja frecuencia, hay que aumentar la frecuencia de muestreo, pero esto introduce una inyección de carga adicional. La ruta de la señal incluye sólo el amplificador principal, lo que da lugar a un ancho de banda relativamente grande con ganancia unitaria.

¿Cómo funciona un helicóptero?

La figura 3 muestra el diagrama de bloques del amplificador chopper ADA4051, que utiliza un bucle de retroalimentación de autocorrección local (ACFB). La ruta de la señal principal incluye la red de chopper de entrada CHOP1, el amplificador de transconductancia Gm1, la red de chopper de salida CHOP2 y el amplificador de transconductancia Gm2. CHOP1 y CHOP2 modulan el desplazamiento inicial y el ruido 1/f de Gm1 hasta la frecuencia de corte. El amplificador de transconductancia Gm3 detecta la ondulación modulada a la salida de CHOP2. La red de corte CHOP3 demodula la ondulación de vuelta a CC. Las tres redes de corte conmutan a 40 kHz. Por último, el amplificador de transconductancia Gm4 anula la componente de CC en la salida de Gm1, que de otro modo aparecería como una ondulación en la salida global. El filtro de hendidura de condensador conmutado (SCNF) elimina de forma selectiva la ondulación no deseada asociada a la desviación sin perturbar la señal de entrada deseada de la salida global. Se sincroniza con el reloj de picado para filtrar perfectamente los componentes modulados.

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Figura 3
Figura 3: Esquema de corte utilizado en el ADA4051.

¿Se pueden combinar ambas técnicas?

Una nueva serie de amplificadores de Analog Devices hace precisamente eso. El amplificador de deriva cero AD8628, mostrado en la Figura 4, utiliza tanto el autocero como el picado para reducir la energía en la frecuencia de picado, manteniendo el ruido muy bajo en las frecuencias más bajas. Esta técnica combinada permite un ancho de banda mayor del que era posible con los amplificadores convencionales de dispositivo cero.

Figura 4
Figura 4. El AD8628 combina el autocero con el hashing para conseguir un mayor ancho de banda.

¿A qué problemas de aplicación se enfrentan los amplificadores de deriva cero?

Los amplificadores de deriva cero son amplificadores compuestos que utilizan circuitos digitales para corregir dinámicamente los errores de desplazamiento analógicos. La inyección de carga, el cruce del reloj, la distorsión de intermodulación y el aumento del tiempo de recuperación de la sobrecarga que se derivan de la acción de conmutación digital pueden causar problemas en circuitos analógicos mal diseñados. La magnitud de la inyección de reloj aumenta con un incremento de la ganancia del bucle cerrado o de la resistencia de la fuente; añadir un filtro a la salida o utilizar una resistencia menor en la entrada no inversora reducirá el efecto. Del mismo modo, la ondulación de salida de un amplificador de deriva cero aumenta a medida que la frecuencia de entrada se acerca a la frecuencia de corte.

¿Qué ocurre con las señales cuya frecuencia es superior a la del reloj interno?

Las señales con una frecuencia superior a la frecuencia de autocero pueden ser amplificadas. La velocidad de un amplificador de autocero depende del producto ganancia-ancho de banda, que depende del amplificador principal, no del amplificador de cancelación; la frecuencia de autocero da una indicación de cuándo empezarán a producirse artefactos de conmutación.

¿Qué diferencias hay entre el autocero y el hashing?

La puesta a cero automática utiliza el muestreo para corregir el desplazamiento, mientras que el hashing utiliza la modulación y la demodulación. El muestreo hace que el ruido se pliegue en la banda base, por lo que los amplificadores autocero tienen más ruido en la banda. Para eliminar el ruido, se utiliza más corriente, por lo que los dispositivos suelen disipar más potencia. Los choppers tienen un ruido de baja frecuencia consistente con su ruido de banda plana, pero producen una gran cantidad de energía en la frecuencia de corte y sus armónicos. Puede ser necesario un filtrado de salida, por lo que estos amplificadores son más adecuados para aplicaciones de baja frecuencia. Las características típicas del ruido de las técnicas de autocero y picado se muestran en la Figura 5.

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Figura 5
Figura 5. Ruido típico de varias topologías de amplificadores en función de la frecuencia.

¿Cuándo debo utilizar los amplificadores Auto-Cero? ¿Cuándo debo utilizar los picadores?

Los choppers son una buena opción para aplicaciones de baja potencia y baja frecuencia (<100 Hz), mientras que los amplificadores autocero son mejores para aplicaciones de banda ancha. El AD8628, que combina las técnicas de autocero y chopper, es ideal para aplicaciones que requieren poco ruido, sin problemas de conmutación y con un gran ancho de banda. La Tabla 1 muestra algunas de las compensaciones de diseño.

Tabla 1.

Auto-ceroPicadora estabilizadaChopper estabilizado + Autocero
Desplazamiento muy bajo, TCVOSDesplazamiento muy pequeño, TCVOSDesplazamiento muy pequeño, TCVOS
Muestra y manténModulación/demodulaciónMuestreo y retención, modulación/demodulación
Mayor ruido de baja frecuencia debido al aliasingRuido similar al de la banda plana (sin aliasing)Ruido combinado formado en la frecuencia
Mayor consumo de energíaMenor consumo de energíaMayor consumo de energía
Gran ancho de bandaAncho de banda estrechoAncho de banda más amplio
La menor ondulaciónOndulación más altaNivel de ondulación más bajo que el del hash
Baja energía en la frecuencia de autoceroAlta energía en la frecuencia de hashPoca energía en la frecuencia de autocero

¿Cuáles son los amplificadores de deriva cero más populares de ADI?

En la tabla 2 se muestra una muestra de los amplificadores de deriva cero que ofrece ADI.

Tabla 2

Continuación de la Tabla 2

Referencias

  1. Las mediciones de los sensores de tipo puente se mejoran con amplificadores de instrumentación autocero

  2. Desmitificación de los amplificadores de autopuesta a cero – Parte 1

  3. Desmitificación de los amplificadores autocero – Parte 2

  4. Tutorial MT-055, Amplificadores operacionales de precisión estabilizados por chopper (autocero)
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