Новые методы уменьшения дрейфа нуля в малошумящих АЦП Texas Instruments


Двухступенчатая стабилизация прерыванием в выпущенных компанией Texas Instruments новых АЦП ADS1235 позволяет снизить до минимума долговременный и температурный дрейфы напряжения смещения и достичь высокой точности в измерительных цепях современных прецизионных цифровых приборов и универсальных аналоговых каналов.

Доказывать высокую точность дифференциальных методов измерений уже давно нет необходимости, поскольку это подтверждено десятилетиями практической эксплуатации многих поколений самого разнообразного метрологического оборудования. Действительно, переход от определения абсолютной величины контролируемого параметра к измерению разницы между действительным и эталонным значениями позволяет проводить измерения с точностью, ограниченной на практике лишь техническими возможностями существующей элементной базы.

Главной отличительной особенностью дифференциальных датчиков, например, на основе мостов Уитстона, является малая величина выходного напряжения, которая при полном уравновешивании измерительного контура равна нулю. Таким образом, чем меньше уровень сигнала, который может быть отслежен узлом обработки сигнала, тем лучше можно сбалансировать измерительную систему, следовательно, тем более высокий класс точности будет иметь прибор. Однако при измерении слабых дифференциальных сигналов возникает ряд проблем, главная из которых – наличие напряжения смещения (Offset Voltage – дифференциальное напряжение на входе, при котором выходное напряжение равно нулю). Добавляясь к полезному сигналу, напряжение смещения ограничивает его минимально различимое значение и, следовательно, снижает точность проведения измерений (рисунок 1).

Рис. 1. Влияние напряжение смещения на уровень выходного сигнала

Причиной появления напряжения смещения в первую очередь является несовершенство элементной базы, особенно полупроводниковых компонентов. При дальнейшем уменьшении уровня рабочих напряжений количество факторов, влияющих на величину этого параметра, становится настолько большим, что уже с трудом поддается анализу, а тем более контролю. Так, например, при работе с сигналами меньше 1 мВ на точность измерений может повлиять даже «неправильный» винт в клеммной колодке для подключения датчика, который вместе с «неправильным» проводом создаст условия для появления термо-ЭДС в месте контакта двух разнородных проводников.

Ситуация усугубляется еще и тем, что напряжение смещения нестабильно во времени. Колебания температуры и влажности, старение и деградация электронных компонентов приводят к тому, что величина этого параметра становится зависимой от возраста прибора, температуры, климата, условий эксплуатации оборудования и других труднопредсказуемых факторов. Все это заставляет разработчиков искать дополнительные меры, направленные на уменьшение как абсолютной величины напряжения смещения, так и величины его дрейфа (Offset Voltage Drift).

Принцип стабилизации прерыванием
Полоса частот помехи, создаваемой источником смещения, лежит в низкочастотной области и чаще всего совпадает с полосой частот измеряемого напряжения, что делает их разделение простыми методами весьма затруднительным. Практика показала, что одним из наиболее эффективных методов борьбы с напряжением смещения является стабилизация прерыванием (Chopper Stabilization), заключающаяся в разнесении спектров полезного сигнала и помехи с последующим подавлением «вредной» полосы частот.

При стабилизации прерыванием (рисунок 2) напряжение усиливаемого сигнала Uвх вначале модулируется частотой fмод, что приводит к переносу его спектра в высокочастотную область, причем так, чтобы спектры модулированного сигнала и помехи UOffset не перекрывались. После прохождения узла обработки сигнала, например, операционного усилителя, композитный сигнал поступает на демодулятор, работающий синхронно с модулятором на частоте fмод. Поскольку сигнал помехи UOffset до этого не модулировался, при прохождении через демодулятор произойдет перемещение его спектра в высокочастотную область – туда, где до этого был полезный сигнал, а вот для полезного сигнала демодуляция даст обратный эффект – часть его спектра восстановится в требуемой полосе частот. Теперь для получения чистого и обработанного (в данном случае – усиленного) полезного сигнала остается только удалить высокочастотные составляющие выполненных преобразований с помощью фильтра низких частот.

Рис. 2. Принцип стабилизации прерыванием

На практике модулятор и демодулятор выполняются на основе коммутаторов, изменяющих полярность входного напряжения с частотой fмод. При работе с аналоговыми сигналами коммутаторы выполняются на основе полевых транзисторов, включенных, как правило, по мостовой схеме (рисунок 3). Для цифровых сигналов, получаемых, например, после оцифровки модулированного напряжения, демодуляция и последующая фильтрация обычно выполняются программными способами. Следует также отметить, что наличие напряжения смещения присуще сугубо аналоговым схемам, поэтому стабилизация прерыванием используется только в аналоговых или аналого-цифровых узлах.


Рис. 3. Упрощенная схема коммутатора на полевых транзисторах

Теоретически стабилизация прерыванием позволяет полностью устранить наличие напряжения смещения независимо от природы его появления, однако на практике из-за неидеальности компонентов и технологии изготовления микросхем полностью избавиться этого явления не удается. Практически достижимый результат – уменьшение величины напряжения смещения (и его дрейфа) в 1000 раз по сравнению с обычными технологиями (таблица 1). Кроме уменьшения напряжения смещения стабилизация прерыванием позволяет уменьшить уровень фликкер-шума (розового шума, шума 1/f), присущего полупроводниковым компонентам. Основным недостатком данной технологии является относительно высокая сложность реализации и ограничение максимальной частоты рабочего сигнала, поскольку более широкая полоса пропускания требует использования более высокой частоты модуляции и, соответственно, более дорогих полупроводниковых компонентов. Однако для большинства низкочастотных сигналов, присущих измерительным системам, это не является серьезным препятствием.


Таблица 1. Сравнение характеристик операционных усилителей, изготовленных по различным технологиям

На сегодняшний день технология стабилизации прерыванием активно используется при изготовлении высококачественных инструментальных усилителей, которые изначально рассчитаны на работу с дифференциальными сигналами. Однако сфера ее применения не ограничивается лишь приборами данного типа и может использоваться в любой сфере, требующей усиления слабых, в том числе и дифференциальных, сигналов.

Как это использовать в цифровых системах, а также о готовых решениях от TI читайте в обзоре АЦП ADS1235
  • 0
  • 31 марта 2019, 11:57
  • DIHALT

Комментарии (0)

RSS свернуть / развернуть
Только зарегистрированные и авторизованные пользователи могут оставлять комментарии.