Перейти к содержанию

Усилитель с нулевым дрейфом (zero-drift)

Смещение обычного ОУ — сотни микровольт, и оно ползёт с температурой. Для тензомоста или термопары это огромная ошибка. Усилители с нулевым дрейфом решают задачу внутри кристалла: они постоянно измеряют собственное смещение и вычитают его.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

Усилитель с нулевым дрейфом (zero-drift amplifier) — операционный или инструментальный усилитель, который непрерывно корректирует собственное напряжение смещения внутренней схемой самокалибровки. В результате смещение — единицы микровольт, его дрейф с температурой и временем почти нулевой, а низкочастотного шума 1/f нет (TI SBOA182C). Делается это одним из двух способов — переключением (чоппер, chopper) или автообнулением (auto-zero).

Как работает чоппер

На входе и выходе первого каскада стоят ключи. В одном полупериоде они переворачивают и сигнал, и смещение, причём сигнал переворачивается дважды и остаётся в фазе, а смещение — один раз и меняет знак. В другом полупериоде ключи пропускают всё как есть. Смещения двух полупериодов противоположны по знаку и усредняются до нуля, а остаток на частоте работы ключей подавляет синхронный режекторный фильтр (SBOA182C).

Что это даёт

Zero-drift OPA388Обычный OPA2325
Смещение, тип. / макс.0,25 / 5 мкВ40 / 150 мкВ
Дрейф, тип. / макс.0,005 / 0,05 мкВ/°C2 / 7,5 мкВ/°C

Данные — по табл. 1 SBOA182C: по этим числам разница в 30–400 раз (TI пишет о трёх порядках). У популярного OPA333 смещение 2 мкВ типично и 10 мкВ максимум, дрейф 0,02 и 0,05 мкВ/°C, шум в полосе 0,1–10 Гц — 1,1 мкВ от пика до пика (SBOS351E, разд. 6.6). Есть и инструментальные усилители на таких ОУ — INA333 со смещением до 25 мкВ и дрейфом 0,1 мкВ/°C при G ≥ 100; его можно рассчитать в калькуляторе инструментального усилителя.

Ограничения

  • Время выхода на точность. У OPA333 и INA333 коррекция нуля идёт каждые 8 мкс, и после включения нужно около 100 мкс, чтобы смещение стало заявленным (SBOS351E, разд. 7.3.3).
  • Полоса и ток. Многие zero-drift — микромощные: OPA2333 при 17 мкА имеет полосу 0,35 МГц. Есть и быстрые модели — например, OPA2189 с полосой 14 МГц, — но ток покоя у него уже 1,3 мА (SBOA182C, табл. 2).
  • Переключение внутри. Остаточную ошибку на частоте работы ключей в чоппере гасит синхронный режекторный фильтр (SBOA182C); для OPA333 TI прямо пишет, что наложения спектров у него нет. У других моделей поведение на частоте работы ключей стоит проверить по даташиту.

Другие ОУ для малых постоянных сигналов сравниваются в статье «Операционный усилитель». Не путать чоппер в ОУ с чоппером в драйвере шагового двигателя: там так называют ШИМ-регулирование тока обмотки.

Частые вопросы

Чем chopper отличается от auto-zero?

Оба способа убирают смещение периодической самокоррекцией. Чоппер переворачивает входной сигнал и смещение первого каскада ключами, и смещение усредняется до нуля; автообнуление устроено иначе по схеме. По TI автообнуление даёт меньше искажений на выходе, а чоппер — меньший широкополосный шум (SBOA182C).

Есть ли у zero-drift недостатки?

Да. После включения такому ОУ нужно время, чтобы выйти на заявленное смещение: у OPA333 около 100 мкс. Внутри работает переключение — у OPA333 тракт на 350 кГц с коррекцией нуля каждые 8 мкс. Кроме того, многие такие ОУ маломощные и медленные: у OPA2333 полоса 0,35 МГц при токе 17 мкА (SBOA182C, табл. 2).

Когда стоит брать zero-drift?

Когда сигнал — единицы милливольт и меньше и важна точность по постоянному току: тензомосты и весы, шунты, термопары, мостовые датчики (SBOA182C). Для звука или быстрых сигналов есть ОУ лучше по полосе и шуму на высоких частотах.

Источники

  1. Texas Instruments. Zero-Drift Amplifiers: Features and Benefits, SBOA182C — самокоррекция двумя способами — чоппер или автообнуление; чоппер переключает вход и выход первого каскада, смещение меняет знак через полупериод и усредняется до нуля, синхронный режекторный фильтр подавляет остаток; табл. 1 — OPA388 0,25 тип. / 5 макс. мкВ и 0,005 / 0,05 мкВ/°C против OPA2325 40 / 150 мкВ и 2 / 7,5 мкВ/°C; автообнуление даёт меньше искажений, чоппер — меньший широкополосный шум; рис. 6 — у zero-drift нет шума 1/f; применения: тензодатчики, шунты, термопары, мосты
  2. Texas Instruments. OPAx333 1.8-V, microPower, CMOS Operational Amplifiers, Zero-Drift Series, SBOS351E — разд. 1 — смещение до 10 мкВ, дрейф до 0,05 мкВ/°C, 17 мкА; разд. 6.6 — шум 1,1 мкВ размах в полосе 0,1–10 Гц, VOS 2 тип. / 10 макс. мкВ, дрейф 0,02 тип. / 0,05 макс. мкВ/°C (−40…125 °C); разд. 7.3.3 — ОУ с непрерывным трактом 350 кГц, коррекция нуля каждые 8 мкс, после включения около 100 мкс до заявленного смещения, нет наложения спектров и фликкер-шума
  3. Texas Instruments. INA333 Micro-Power (50μA), Zero-Drift, Rail-to-Rail Out Instrumentation Amplifier, SBOS445C — разд. 7.1, 7.3 — инструментальный усилитель на ОУ с нулевым дрейфом, чопперная схема; разд. 7.4.1 — коррекция каждые 8 мкс, 100 мкс после включения; смещение до 25 мкВ и дрейф 0,1 мкВ/°C при G ≥ 100

Нашли ошибку?

Смотрите также