ゼロドリフトアンプ：高精度回路で使いやすくなりました

ゼロドリフトアンプは、その名前が示すように、オフセット電圧ドリフトがゼロに非常に近いアンプです。 オートゼロまたはチョッピングテクノロジー、あるいはその両方の組み合わせを使用して、時間と温度の経過に伴うDCエラーを継続的に自己修正します。 これにより、アンプはマイクロボルトレベルのオフセットと非常に低いオフセットドリフトを実現できます。 そのため、高利得で高精度な信号調整回路での使用に最適です。 たとえば、センサー（温度、圧力、ロードセルセンサーなど）は通常、低レベルの出力電圧を生成するため、追加のエラーを発生させることなく出力を増幅するために増幅器が必要です。 超低オフセット電圧とドリフト、高同相信号除去、高電源除去、および1 / fノイズの低減のために設計されたゼロドリフトアンプは、次のような要求の厳しいシステムアプリケーションで高レベルの分解能を達成するための理想的な選択肢です。長い製品ライフサイクルでのセンシング。 ゼロドリフトアンプの基本アーキテクチャ図1に、ユニティゲイン構成の基本的なチョッパーアンプの回路図を示します。 DCゲインパスは、入力チョッピングスイッチネットワーク（CHOPIN）、第1の相互コンダクタンス増幅器（Gm2）、出力チョッピングスイッチネットワーク（CHOPOUT）、第1の相互コンダクタンス増幅器（Gm2）、および周波数補償コンデンサ（CXNUMXおよびCXNUMX）で構成されます。 CHOPとCHOP 'はクロックジェネレーターによって制御され、不要なアンプのDCオフセット電圧（VOS）を補正するように機能します。 図2に、関連するタイミング図と予想される出力電圧（VOUT）を示します。 CHOPクロック信号がハイ（A相）の場合、アンプGm1の差動入力と出力は反転せずに信号パスに接続されます。 これにより、VOSが存在するため、正の出力電圧VOUTが発生します。 CHOPのクロック信号がハイ（B相）の場合、Gm1の入力と出力は反転して信号パスに接続され、VOSによって負の出力電圧が発生します。 Gm1からの正および負の出力電圧は、±VOSに等しい出力電圧になります。 時間領域でのこのチョッピングの概念は、周波数領域での変調に似ています。 言い換えると、Gm1のオフセット電圧はCHOPOUTによってチョッピング周波数にアップモジュレートされます。 一方、入力信号はCHOPINとCHOPOUTによってXNUMX回チョップされます。 これは、入力信号が元の周波数にアップモジュレートされてからダウンモジュレートされるのと同じです。 したがって、入力信号は反転せずに出力に到達します。 Gm1からの正および負の出力電圧（±VOS）は、VOUTでの電圧リップルとして表示されます（図2）。 さらに、CHOPおよびCHOPのクロックは、スイッチに関連する寄生容量を介して差動入力ピンに結合されます。 クロックの状態が変化すると、差動入力ピンに電荷が注入されます。 これらの電荷注入は、有限の入力ソースインピーダンスを介して出力電圧グリッチに変換されます。 グリッチの大きさと形状は、入力ソースインピーダンスの量とマッチング、および差動入力ピンでの電荷注入に依存します。 これらの出力リップルとグリッチは、チョッピング周波数とその複数の整数周波数でのノイズスペクトルの増加として現れるスイッチングアーティファクトをもたらします。 また、スイッチングアーチファクトの大きさと周波数は、ゼロドリフトアンプごとに、またユニットごとに異なります。 この記事では、チョッピングとスイッチング周波数という用語は同じ意味で使用されています。 図1。 チョッピングアーキテクチャ。 図2。 チョッピングタイミング図。 データシートに示されているスイッチングアーティファクト従来、ゼロドリフトアンプは、かなり大きな広帯域ノイズと、数キロヘルツから数十キロヘルツの範囲の低いスイッチング周波数を備えています。 これにより、使用がDCおよびサブ100 Hzアプリケーションに制限されるため、スイッチング周波数は対象の信号帯域幅から外れたままになります。 より高い帯域幅で高精度と低ドリフトを必要とするアプリケーションでは、より高いスイッチング周波数のゼロドリフトアンプを使用することが重要です。 実際のところ、スイッチング周波数はゼロドリフトアンプの性能指数と見なされることがあります。 高度な設計アーキテクチャにより、新しいゼロドリフトアンプは、はるかに高い周波数でスイッチングアーチファクトが小さくなるように設計されています。 たとえば、オフセット電圧を4.8 MHzにチョッピングすることに加えて、高電圧のデュアルゼロドリフトアンプであるADA4522-2は、特許取得済みのオフセットおよびリップル補正ループ回路を使用して、スイッチングアーチファクトを最小限に抑えます。 補正ループは800kHzで動作し、オフセット電圧±VOSをゼロにするように機能します（図2を参照）。 ±VOSを元の値の1％に減らすと、スイッチングアーチファクトが40dB改善されます。 これにより、目標とするシステムレベルの精度を達成するためのシステム設計者の労力が軽減されます。 スイッチングアーチファクトを検出する最も簡単な方法は、アンプの電圧ノイズ密度スペクトルを観察することです。 図3は、ADA4522-2の入力換算電圧ノイズ密度グラフを示しています。 チャネルBは、800kHzのスイッチング周波数でノイズスペクトルの増加を示すことに注意してください。 この記事の前半で説明したように、このノイズスペクトルの増加は、電荷注入の不一致の副産物です。 不一致は部品間およびチャネル間で依存するため、ノイズスパイクの大きさは異なり、すべてのユニットがノイズスパイクを示すわけではありません。 例として、同じユニットのチャネルAは、800kHzのスイッチング周波数でノイズスパイクを示しません。 オンチップクロック発振器の周波数変動により、スイッチング周波数もユニットごとに最大10％から20％異なる可能性があります。 図3。 ADA4522-2電圧ノイズ密度。 異なるゼロドリフトアンプ間のノイズ比較図4は、XNUMXつの異なるリーディングエッジ高電圧ゼロドリフトアンプの入力換算電圧ノイズ密度を示しています。 テストされたXNUMXつのゼロドリフトアンプはすべて、ある種のスイッチングアーチファクトを示すことに注意してください。 一部のスイッチングアーティファクトは、複数の整数周波数でも繰り返されます。 これらのスイッチングアーティファクトは重大であり、回路設計にエラーを引き起こす可能性があります。 したがって、回路への影響を理解し、その影響を軽減する方法を見つけることが重要です。 増幅器の閉ループ周波数がスイッチング周波数よりも高い場合、このノイズスペクトルの増加は帯域幅全体にわたって積分され、出力に反映されます。 それだけでなく、この入力換算電圧ノイズは、アンプのノイズゲインによってゲインアップされます。 たとえば、増幅器が100のゲインで構成されているとすると、実効出力換算電圧ノイズ密度も100倍に増加します。 図4。 さまざまなゼロドリフト増幅器の電圧ノイズ密度。 図5。 統合された出力電圧ノイズ。 増幅器の出力に積分される合計rmsノイズは、増幅器の帯域幅に依存します。 出力電圧ノイズは、使用可能な帯域幅でロールオフします。 したがって、ゲインが高いほど、または帯域幅が高いほど、出力アンプのノイズの振幅が大きくなります。 図5に、積分出力電圧ノイズとのグラフを示します。 周波数。 これは、周波数に関する総積分ノイズを理解するのに役立つグラフです。 例として、アンプの帯域幅がフィルタリングによって100 kHzに制限されている場合、固有のアンプ電圧ノイズによる合計出力ノイズをグラフから読み取ることができ、次のようになります。 出力統合ノイズアンプ出力ノイズ（µV rms）ピークツーピーク出力ノイズ（µV pp）ADA4522-2 1.91アンプA12.61アンプB3.33 21.98 rms電圧をピークに変換するための共通乗算器（波高比と呼ばれる）の使用-ピークツーピーク電圧、ピークツーピークノイズの推定値を表6.40の42.24列目に示します。 5 Vシステムでは、ADA4522-2は18.6ビットのピークツーピーク分解能を提供しますが、アンプBは16.8ビットのピークツーピーク分解能を提供します。 信号対雑音比が向上し、システム全体の分解能が高くなるため、統合出力ノイズの合計を低くすることが常に望ましいです。 図5について注意すべきもうXNUMXつの興味深い点は、ノイズスパイク周波数でステップ状の関数を使用して積分ノイズが増加することです。 ノイズスパイク（ノイズエネルギーの増加を伴う）は、狭いとはいえ、総出力積分ノイズに大幅に追加されます。 時間領域でのスイッチングアーチファクト多くの場合、スイッチングアーチファクトは、周波数領域での電圧ノイズ密度スペクトルにはっきりと見られます。 スイッチングアーティファクトの時間ベースの動作を理解するには、非反転ピンを接地したバッファ構成でアンプを構成し、オシロスコープで出力を直接監視します。 図6は、XNUMXつのゼロドリフトアンプの標準的な出力を示しています。 アンプAはさまざまな振幅で出力電圧スパイクを示すことに注意してください。 スパイクは0.66µsごとに繰り返されます。これは、図1.51の4MHzで見られるノイズスパイクと一致します。 一方、ADA4522-2は、時間領域でスイッチングアーティファクトを示しません（青いグラフ）。 つまり、存在するノイズスパイクは、測定システムのノイズフロアより下にあり、検出できません。 これにより、設計者は、ノイズスパイクが問題にならないという確信を持って、ADCの駆動などのアプリケーションでADA4522-2を使用できます。 図6。 時間領域での出力電圧ノイズ。 スイッチングアーティファクトを軽減するためのフィルター図7。 フィルタ設定のゼロドリフトアンプ。 図8。 ポストフィルタを備えたユニティゲインゼロドリフト増幅器の電圧ノイズ密度。 スイッチングアーティファクトの影響を減らすために、実装できる方法がいくつかあります。 これらの方法は、最終的には増幅器の帯域幅を制限して、スイッチング周波数よりも低くすることになります。 フィルタを使用すると、ノイズスパイクを抑制する効果的な方法です。 最も簡単な設計は、アンプ出力に抵抗-コンデンサネットワークを配置してローパスフィルタを作成することです（図7A）。 図8は、スイッチング周波数よりXNUMX年またはXNUMX年低い位置に設計されたポストフィルタを備えたゼロドリフトアンプの電圧ノイズ密度を示しています。 800 kHzでのノイズスパイクは、36nV /√Hz（ポストフィルターなし）から4.1nV /√Hz（80 kHzでのポストフィルター）に減少します。これは、アンプの低周波ブロードバンドノイズレベルを下回っています。 スイッチング周波数より8年低い位置にポストフィルター（4522 kHzのポストフィルター）を配置すると、ノイズスパイクは見えなくなり、ADA2-XNUMXは他の従来のアンプと同じように見えます。 一部のアプリケーションは、アンプの出力にRCネットワークがあることを許容しない場合があります。 フィルタ抵抗を流れるアンプの出力電流は、出力エラーを引き起こす電圧オフセットを生成します。 この場合、フィードバックループの両端にフィードバックコンデンサを配置することにより、ノイズスパイクをフィルタリングすることを選択できます（図7（b））。 図9は、フィルタリングなしのゲイン10で構成されたアンプの出力電圧ノイズ密度を示しています。 ポストフィルターまたはフィードバックフィルターをスイッチング周波数のXNUMX年下に配置します。 ポストフィルター構成は、フィードバックコンデンサよりもローパスフィルターとして効果的です。 図9。 スイッチングアーティファクトはフィルターで減少します。 高ゲイン構成でゼロドリフト増幅器を使用すると、多くの設計者がゼロドリフト増幅器を使用しましたが、システムでスイッチングアーチファクトを観察していません。 XNUMXつの理由は、アンプの構成に起因する可能性があります。 ゼロドリフト増幅器は、ドリフトとオフセットが低く、たとえば、ゲインが100〜1000の高ゲイン構成で、低レベルの振幅センサー信号を信号調整するために最もよく使用されます。 アンプを高ゲイン構成で使用すると、アンプにローパスフィルターを配置するのと同じ効果があります。 ゲインが増加すると、帯域幅は減少します。 図10は、高ゲイン構成でスイッチング効果をどのように軽減するかを示しています。 閉ループゲインが100の場合、スイッチングアーチファクトはノイズプロットではほとんど見られません。 図10。 ゲインによる増幅器帯域幅のロールオフ。 ゼロドリフトアンプとしてのADA4522-2の利点アナログ・デバイセズの最新のゼロドリフトオペアンプであるADA4522-2は、特許取得済みの革新的な回路トポロジーを採用して、高いスイッチング周波数を実現し、スイッチングアーチファクトを最小限に抑えます。前任者。 3MHzのユニティゲイン帯域幅と800kHzおよび4.8MHzのスイッチング周波数により、40のゲイン構成でスイッチングアーティファクトをフィルタリングするのに十分であり、外部ローパスフィルタリングの必要性がなくなります。 最大22nV /°Cの低オフセット電圧ドリフト、5.8nV /√Hzでの低ノイズ（100構成のゲイン）、最大150 pAでの低入力バイアス電流、高同相信号除去比、および電源除去により、重量計、電流検出、温度センサーフロントエンド、ロードセルおよびブリッジトランスデューサー、その他多くのドリフトクリティカルなアプリケーションなどの精密アプリケーションに最適です。 結論ゼロドリフトアンプは非常に低いオフセット電圧とドリフトを特徴としており、低レベル信号の高精度増幅を必要とするアプリケーションに理想的な選択肢です。 これは、XNUMXつを使用する際のいくつかの洞察です。 すべてのゼロドリフト増幅器は、ある種のスイッチングアーチファクトを示し、これは最も一般的には電圧ノイズ密度プロットで検出できます。 スイッチングアーチファクトの大きさはユニットごとに異なります。 スイッチング周波数は、ユニットごとに最大20％異なる可能性があります。 スイッチングアーティファクトは、周波数および時間領域で検出できます。 アプリケーションによっては、エラーが発生する可能性があります。 ゼロドリフト増幅器は、帯域幅が減少する高ゲイン構成でよく使用されるため、多くの場合、スイッチングアーチファクトは問題になりません。 出力エラーの量を減らすために、スイッチングアーチファクトを軽減することが重要です。 ローパスフィルター（RCポストフィルターまたはフィードバックコンデンサー）を適用して、スイッチング周波数の前にアンプの帯域幅をロールオフし、アーティファクトを抑制します。 高いスイッチング周波数により、広くて便利でアーチファクトのない帯域幅のフィルタ要件が簡素化されます。

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