零飘移放大器巧妙的超射频信号,第1部分

现代的零飘移放大器提供了处理许多光学生物信号和接近0赫兹的物理世界信号所需的极低的漂移和噪声性能。

在我们这个速度越来越快、带宽越宽的信号和频率越来越高的系统的世界里,极低频范围内的信号--降至零赫兹(0赫兹)--要么是微不足道的,要么是不合时宜的。

然而,事实并非如此。在这一范围内存在着许多现实世界中的现象,并提供了重要的信息。例如,把某件事看作是司空见惯、无处不在的,就像在一天的时间里监测室外温度一样。虽然气温在24小时内可能会超过10或20度,但其变化速度非常缓慢( Figure 1) .

图1对环境温度等移动非常缓慢的物理变量的数据采集带来了一套独特的放大器挑战

同样,观察光的强度从一个发光的蜡烛火焰闪烁,燃烧更高,然后最终燃烧是一个缓慢的情况。这种缓慢移动信号还有很多其他例子:患者对各种身体参数的监测、桥桥运动、热膨胀和收缩只是少数几个例子。

将这些信号放大到它们的传感器应该很容易;毕竟,我们有放大器和模拟的前端,可以到达数百兆赫和千兆赫兹范围,那么问题是什么呢?

放大这些超流信号受到两个因素的挑战:放大器/模拟前端(AFE)漂移和噪声。漂移是由于各种热效应而产生的基线变化,而噪音有许多来源。

所有放大器的低频性能都有一定的漂移,这主要是由于热效应以及电流和电压变化时操作点的变化。信号链的性能被放大器参数中的任何初始直流偏移(如偏置电流或电压偏移)和固有的1/F(粉红色)噪声,以及随之而来的温度引起的漂移、功率-轨道变化或组件引起的不可避免的性能变化所削弱。

设计一个放大器,可以放大具有零或近零漂移的超射频信号,并偏移其他误差,以及低通带噪声,是一个独特的挑战。低频漂移和噪声可以从高频信号中过滤出来,但当噪声和漂移与信号处于同一波段时,滤波掩盖了感兴趣的变化。

滤波的替代方法是一种放大器拓扑结构,它是专门为直流到几百赫兹甚至几千赫兹的超低频率设计的。请注意,这些放大器有时被称为"直流放大器",因为它们的带宽一直延伸到直流,但它们真的不需要放大直流。毕竟,一个真正的直流信号是常数,因此不传递任何信息,所以没有必要放大它。然而,"直流放大器"这个术语经常用于这些设备。

低飘移放大器填补空白

在这些极低频率捕获和放大信号的问题并不是新问题;事实上,自从研究人员需要捕捉光等参数变化的电子前和电前时代以来,就一直存在这个问题。他们设计了一种方案,以机械的方式以更高的速率"切割"所需的信号,从而将其调制到可以传递的部分频谱,然后在另一端记录和观测时由同步的切割器进行解调。低频漂移被有效地过滤掉了,而且与此无关(以后会有更多的机械切割)。

当真空管出现和电子产品开始出现时,这种切割的概念很快就扩展了。这些真空管型斩波放大器工作得很好,但由于当时管技术的局限性,尺寸、重量和功率要求都很高。随着晶体管和模拟集成电路成为标准部件,它们很快就被应用于脉冲拓扑放大器中,以捕捉和放大这些信号。

这种对低频信号的切割技术的演变的一个结果是,"载波放大器"一词与更正确的术语"直流放大器"、更准确的术语"低频放大器"或者,最好的是,"零流放大器"成为同义词(认识到没有放大器真正是零漂移,但正确的设计可能非常接近于零)。请记住,切割是一种技术和拓扑结构,而不是零飘移的目的--因此,使用一个术语来表示它所做的也意味着它所做的可能是混淆的。

有两种拓扑结构用于实现"零浮选"性能:

· 惊人的 如前所述,使用信号调制解调,具有较低的基带噪声,但也会在切频及其谐波时产生噪声。

· 或者, 自动零点 使用采样保持电路,适用于宽频带的应用,但由于频谱基带部分的"折回"噪声,因此具有更多的带内电压噪声。

先进的零流式放大器集成器将这两种技术结合起来,提供了"两个世界中最好的。他们管理噪音谱密度(NSD),以提供较低的基带噪音,同时尽量减少高频误差,如波纹、故障和互调失真(IMD)( 图2 ).

图2每种类型的模拟放大器都有一个独特的典型噪声谱密度(NSD);零飘移放大器接受了NSD的性能,即自动零零度和杂化稳定方法,以产生更可接受的场景.

切托有它的属性

这个放大器,更正式的被称为切分稳定放大器(但通常被称为切分放大器或仅仅是"切分器"),使用切分电路来打断(切割)输入信号,这样它就可以像被调制的交流信号一样处理。然后,它对输出时的直流信号进行解调,以提取原始信号。

这样,极小的直流信号可以放大,而不需要的移动的影响大大减少到接近零。切割调制通过将误差调制到较高的频率来分离偏移噪声和低频噪声,在较高的频率上,它们更容易通过滤波来最小化或去除。

在时间域内容易理解切取操作细节( 图3 )。输入信号(蓝色波形-a)通过将(b)切成方波进行调制。该信号在输出(d)回到直流时解调(c)。放大器中固有的低频误差(红色波形)是(c)在输出时被调制成方波,然后(d)被低通滤波器(LFP)过滤。

图3输入信号在(a)输入、(b)V1、(c)V2和(d)基本切割技术.

当然,没有什么技术是完美的,这同样适用于切割。由于切割(切换)动作,以及切割时钟边缘引起的噪音,有一些工件。尽管直升机设计增加了内部滤波来减少工件和噪音,但其中一些仍然存在。尽管如此,高性能的斩波器仍会有比高端双极放大器更大或更小的漂移和噪声,而高端双极放大器通常提供约25伏的偏移电压和0.1伏/摄氏度的漂移。