DC-tarkkuuden ja laajan kaistanleveyden saavuttaminen ZD-vahvistimilla

On olemassa useita tosimaailman anturisignaaleita, erityisesti luonnollisiin ilmiöihin liittyviä, jotka muuttuvat ajan myötä hyvin hitaasti ja pienissä määrin. Nämä hienovaraiset muutokset ovat kuitenkin tärkeitä tietojen ja ymmärryksen saamiseksi tilanteesta. Esimerkkejä ovat siltojen ja rakenteiden liikkeitä mittaavat muodonmuutosanturit, virtausta mittaavat vedenalaiset anturit, lämpötilaan liittyvät ilmiöt, maanjäristyksiä ja mannerlaattojen liikkeitä mittaavat kiihtyvyysanturit, erinäisten optisten antureiden lähdöt ja lähes kaikki biopotentiaalisignaalit.

Erittäin alhaisen tason signaaleiden tehokas ja tarkka mittaus on aina ollut haasteellista. Kohina vaikuttaa niihin helposti, joten niiden vahvistaminen on kriittinen vaihe vaaditun amplitudin saavuttamiseksi ja sopivan signaali-kohinasuhteen (Signal-to-Noise Ratio, SNR) ylläpitämiseksi. Haastetta lisää näiden yleisesti ”DC-signaaleiksi” kutsuttujen signaalien matala taajuus, joka on usein muutamia tai kymmeniä hertsejä (Hz).

Kaikki vahvistimen parametrien aiheuttamat DC-poikkeamat huonontavat signaaliketjun suorituskykyä. Näihin poikkeamiin kuuluvat biasvirta, jännitepoikkeama, luontainen vaaleanpunainen kohina (1/f) sekä lämpötilan synnyttämän siirtymän, jännitetason muutosten ja komponenttien ikääntymisen aiheuttamat väistämättömät suorituskyvyn muutokset.

”Nollasiirtymän” (ZD, Zero Drift) tarjoavat vahvistimet ovat aiemmin olleen mahdollisia vain pienemmän kaistanleveyden sovelluksissa, koska dynaamiset virheenkorjaustekniikat tuottavat korkeammilla taajuuksilla huomattavasti artefakteja. Tämä on kuitenkin merkittävä rajoittava tekijä, koska näissä tasavirtaa muistuttavissa signaaleissa voi esiintyä yhtäkkiä purskeina tärkeitä korkeamman taajuuden ja suuremman kaistanleveyden tapahtumia, esimerkiksi kun rakenne yhtäkkiä murtuu tai kun tapahtuu maanjäristys.

Tästä syystä esivahvistin, jolla on hyvin alhainen siirtymä tasavirtaa muistuttavilla signaaleilla ja hyvä suorituskyky korkeammalla taajuudella, on erittäin hyödyllinen. Onneksi topologian ja suunnittelun parannukset ovat mahdollistaneet ZD-vahvistinpiirien kehittämisen DC-signaaleilla ja korkeammilla taajuuksilla käytettäväksi. Nämä pitkälti eliminoivat poikkeamat, parametrien siirtymän ja 1/f-kohinan.

Tässä artikkelissa esitellään ZD-vahvistimiin sekä niiden parametreihin ja ongelmiin liittyviä seikkoja Analog Devices -yrityksen (ADI) komponenttien avulla. Sitten artikkelissa tutustutaan ZD-vahvistimen toimintojen toteutukseen sekä vahvistimen ja siihen liittyvän signaaliketjun suorituskykyä parantaviin tekniikkoihin.

Siirtymän korjaaminen

Siirtymät perustason suorituskykyyn nähden johtuvat ensisijaisesti, mutta eivät ainoastaan, antureihin ja analogiseen etuasteeseen (Analog Front-End, AFE) kohdistuvista erinäisistä lämpövaikutuksista. Perinteinen ratkaisu siirtymän saamiseksi lähes nollaan on käyttää hakkuristabilisoitua vahvistinta, joka moduloi matalan taajuuden signaalin (jota kutsutaan usein DC-signaaliksi) korkeammalle taajuudelle, jota on helpompi ohjata ja suodattaa. Tämän jälkeen vahvistimen suorittama lähtövaiheen demodulointi palauttaa alkuperäisen signaalin vahvistetussa muodossa. Tämä on toimiva tekniikka, jota on käytetty vuosien ajan.

Huomaa, että termi ”DC-signaali” ei vastaa täysin todellisuutta, vaan signaali on oikeasti vain lähellä DC-signaalia. Jos signaali olisi todella tasavirtainen ja siten vakioarvoinen, siinä ei olisi tietoa sisältäviä vaihteluita. Itse asiassa se mikä signaalissa kiinnostaa ovatkin sen hitaat muutokset. Silti DC-signaali on tässä yhteydessä yleisesti käytetty termi.

Automaattinen nollaus (AZ, auto-zeroing) on vaihtoehto hakkuripohjaiselle stabiloinnille. Tällä tekniikalla saavutetaan samankaltaisia tuloksia käyttämällä dynaamista korjausta, mutta suorituskyvyn kompromissit ovat hieman erilaiset. ZD-operaatiovahvistimet voivat hyödyntää hakkuritoimintoa, automaattista nollausta tai näiden yhdistelmää ei-toivottujen matalan taajuuden virhelähteiden poistamiseen. Tähänkin liittyy hieman epätarkkaa terminologiaa: ”nollasiirtymä” johtaa hieman harhaan, sillä vaikka näissä vahvistimissa siirtymä on vaikuttavan alhainen ja erittäin lähellä nollaa, ne eivät ole aivan täydellisiä. Kuhunkin tekniikkaan liittyvät omat hyötynsä ja heikkoutensa, ja niitä käytetään eri sovelluksissa:

• Hakkuritoiminto käyttää signaalin modulointia ja demodulointia ja sen kantataajuuskohina on alhaisempi, mutta se tuottaa kohina-artefakteja hakkuritaajuudella ja sen harmonisilla monikerroilla.
• Sen sijaan automaattisessa nollauksessa käytetään näytteenotto- ja pitopiiriä, ja se sopii paremmin laajemman kaistanleveyden sovelluksiin. Tällä tekniikalla kuitenkin esiintyy enemmän kohinaa spektrin kantataajuuskaistalla kohinan laskostumisen vuoksi.
• Edistyneissä ZD-vahvistinpiireissä käytetään kumpaakin tekniikkaa ja ne tarjoavat molempien tekniikoiden parhaat puolet. Ne ohjaavat kohinan spektritiheyttä (Noise Spectral Density, NSD) kantataajuuskaistan kohinan laskemiseksi sekä minimoivat korkean taajuuden virheet, kuten huojunnan, häiriöt ja keskinäismodulaatiovääristymät (Intermodulation Distortion, IMD) (kuva 1).

Kuva 1: Kullakin analogivahvistintyypillä on erityinen kohinan spektritiheytensä. ZD-vahvistimissa voidaan valita automaattisen nollaamisen tai hakkuristabilisoinnin NSD-suorituskyky halutun lopputuloksen saavuttamiseksi. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Alkuun hakkuritoiminto

Hakkuristabilisoitu vahvistin (jota kutsutaan myös hakkurivahvistimeksi tai hakkuriksi) hajottaa tulosignaalin hakkuripiirillä niin, että sitä voi käsitellä kuin se olisi moduloitu AC-signaali. Sitten se demoduloi signaalin lähdössä takaisin DC-signaaliksi alkuperäisen signaalin tuottamiseksi.

Tällä tavoin voidaan vahvistaa erittäin pieniä DC-signaaleita samalla, kun ei-toivotut siirtymät minimoidaan lähelle nollaa. Hakkurimodulointi erottaa poikkeaman ja matalan taajuuden kohinan signaalin sisällöstä moduloimalla virheet korkeammille taajuuksille, jolloin ne voi paljon helpommin minimoida tai poistaa suodattamalla.

Hakkuritoiminnon yksityiskohdat on helppo ymmärtää aikatasolla (kuva 2). Tulosignaalia (a) moduloidaan hakkurisignaalilla (b), jolloin saadaan kanttiaalto. Tämä signaali demoduloidaan (c) lähdössä (d) takaisin DC-signaaliksi. Vahvistimen matalataajuiset ominaisvirheet (punainen aaltomuoto) (c) moduloidaan lähdössä kanttiaalloksi, jota sitten (d) suodatetaan alipäästösuodattimella (Low Pass Filter, LPF).

Kuva 2: Tulosignaalin V_IN (sininen) ja virheiden (punainen) aikatason aaltomuodot perushakkuritekniikkaa käyttämällä. Selitteet: (a) syöte, (b) V1, (c) V2 ja (d) V_OUT. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Taajuusalueen analyysista saadaan myös hyödyllisiä tietoja (kuva 3). Tulosignaali (a) moduloidaan hakkuritaajuudelle (b), sitä käsitellään vahvistusasteessa taajuudella f_CHOP, se demoduloidaan lähdössä takaisin DC-signaaliksi (c) ja lopulta se kulkee alipäästösuodattimen (d) läpi. Vahvistimesta lähtöisin oleva poikkeama ja kohina (punainen signaali) käsitellään DC-signaalina vahvistusasteessa, moduloidaan lähdön hakkurikytkimillä (c) taajuuteen f_CHOP ja lopuksi suodatetaan alipäästösuodattimen (d) avulla. Koska tässä käytetään kanttiaaltomodulointia, modulointi tapahtuu modulointitaajuuden parittomien kerrannaisten ympärillä.

Kuva 3: Signaalin (sininen) ja virheiden (punainen) taajuusalueen spektrit ovat myös tärkeitä näkökohtia. Selitteet: (a) syöte, (b) V1, (c) V2 ja (d) V_OUT. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Mikään suunnitelma ei tietenkään ole täydellinen. Aikatason ja taajuusalueen kuvaajista nähdään, että signaaliin jää jäljelle virhettä moduloidun kohinan ja poikkeaman vuoksi, sillä alipäästösuodatin ei ole mikään täydellinen ”tiiliseinä”.

Eteneminen automaattiseen nollaukseen

Automaattinen nollaus on dynaaminen korjaustekniikka, joka toimii ottamalla näytteitä vahvistimen matalan taajuuden virhelähteistä ja vähentämällä ne signaalista. Perustason AZ-vahvistin koostuu vahvistimesta, jolla on väistämätön poikkeama ja kohina, tulon ja lähdön uudelleenmäärittävistä kytkimistä ja automaattisen nollauksen näytteenottokondensaattorista (kuva 4).

Kuva 4: AZ-vahvistimen peruskonfiguraatiossa näkyvät kytkimet signaalipolun uudelleenmäärittämiseksi ja vahvistimen ominaisvirheiden pysäyttämiseksi kondensaattoriin. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Automaattisen nollausvaiheen ϕ₁ aikana piirin tulo oikosuljetaan yhteisjännitteeseen ja automaattisen nollauksen kondensaattori ottaa näytteen tulon poikkeamajännitteestä ja kohinasta. On tärkeää huomioida, että vahvistin ei ole käytettävissä signaalin vahvistamiseen tämän vaiheen aikana, koska se on varattu muuhun tehtävään. Näin ollen jotta AZ-vahvistin voi toimia jatkuvasti, kaksi identtistä kanavaa on lomitettava, mitä kutsutaan ”ping-pong”-tyyppiseksi automaattiseksi nollaukseksi.

Vahvistusvaiheen ϕ₂ aikana tulo kytketään takaisin signaalipolkuun ja vahvistin on taas käytettävissä signaalin vahvistamiseen. Automaattinen nollaus poistaa matalataajuisen kohinan, poikkeaman ja siirtymän. Jäljelle jäävä virhe on virhenäytteiden nykyisen ja edellisen arvon erotus.

Koska matalan taajuuden virhelähteet eivät muutu paljon vaiheiden ϕ₁ ja ϕ₂ välillä, tämä erotus toimii hyvin. Sen sijaan korkean taajuuden kohina laskostuu kantataajuuskaistalle, mikä korottaa valkoista pohjakohinaa (kuva 5).

Kuva 5: Hakkuritoiminto ja automaattinen nollaus muovaavat kohinan tehospektritiheyttä, kuten voidaan nähdä (vasemmalta oikealle) ennen automaattista nollausta, automaattisen nollauksen jälkeen, hakkuritoiminnon jälkeen ja sekä hakkuritoiminnon että automaattisen nollauksen jälkeen. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Edistyneiden AZ-vahvistinpiirien suorituskyky on vaikuttava. Ne ovat kriittisten poikkeama-, siirtymä- ja kohinaominaisuuksien suhteen tyypillisesti yksi tai kaksi suuruusluokkaa parempia kuin ”todella hyvän” tarkkuuden operaatiovahvistin. Joten vaikka siirtymää ei tietenkään saada aivan nollaan, päästään kuitenkin erittäin lähelle.

Esimerkiksi ADA4528 on yhden kanavan koko jännitealueen (Rail-To-Rail, RTR) ZD-vahvistin, jonka maksimi offset-jännite on 2,5 mikrovolttia (μV), offset-jännitteen enimmäispoikkeama vain 0,015 μV/°C ja jännitteen kohinatiheys 5,6 nanovolttia per neliöjuurihertsi (nV/√Hz) (taajuudella f = 1 kilohertsi (kHz), vahvistus +100) ja 97 nV_peak-peak (huipusta huippuun) (kun f = 0,1–10 Hz, vahvistus +100). Toinen yksikanavainen koko jännitealueen ZD-vahvistin ADA4522 tarjoaa seuraavat ominaisuudet: maksimi offset-jännite 5 μV, offset-jännitteen enimmäispoikkeama 22 nV/°C, jännitteen kohinatiheys 5,8 nV/√Hz (tyypillinen), 117 nV_peak-peak (huipusta huippuun) välillä 0,1–10 Hz (tyypillinen) sekä biastulovirta 50 pikoampeeria (pA) (tyypillinen).

Artefaktit voivat heikentää ”täydellisyyttä”

Vaikka hakkuritoiminto poistaa hyvin ei-toivottuja poikkeamia, siirtymiä ja 1/f-kohinaa, se tuottaa luontaisesti ei-toivottuja AC-artefakteja, kuten lähdön huojuntaa ja häiriöitä. Onneksi kunkin artefaktin perustavanlaatuisen syyn huolellisen tutkinnan sekä edistyneiden ja sofistikoituneiden topologioiden ja prosessien ansiosta Analog Devices on voinut pienentää näiden artefaktien suuruutta huomattavasti ZD-tuotteissaan ja siirtää ne korkeammille taajuuksille, mistä ne on helpompi suodattaa pois järjestelmätasolla. Näitä artefakteja ovat seuraavat:

Huojunta: Aiheutuu hakkurimodulointitekniikasta, joka siirtää nämä matalan taajuuden virheet hakkuritaajuuden parittomille harmonisille monikerroille. Vahvistinten suunnittelijat käyttävät useita menetelmiä huojunnan vaikutusten vähentämiseen, mukaan lukien seuraavat:

• Tuotteen poikkeaman trimmaaminen: Nimellispoikkeamaa voi vähentää huomattavasti suorittamalla kertaluontoinen alkutrimmaus, mutta poikkeaman siirtymä ja 1/f-kohina jäävät jäljelle.
• Hakkurin ja automaattisen nollaamisen yhdistäminen: Vahvistimella suoritetaan ensin automaattinen nollaus ja sitten hakkuritoiminto kohinan kasvaneen spektritiheyden moduloimiseksi korkeammalle taajuudelle (kuten edellisessä kuvassa, jossa näytettiin hakkuritoiminnon ja automaattisen nollauksen jälkeinen kohinaspektri).
• Automaattinen korjauksen takaisinkytkentä (Autocorrection Feedback, ACFB): Paikallista takaisinkytkentäsilmukkaa voidaan käyttää moduloidun huojunnan havaitsemiseksi lähdössä ja matalan taajuuden virheiden nollaamiseksi niiden lähteessä.

Häiriöt: Transienttipiikit, jotka johtuvat hakkurikytkinten syöttövarauksen eroista. Näiden häiriöiden suuruus riippuu useista tekijöistä, kuten lähdeimpedanssi ja varauseron suuruus.

Häiriöpiikit synnyttävät artefakteja hakkuritaajuuden parillisilla harmonisilla monikerroilla ja synnyttävät lisäksi hakkuritaajuuteen verrannollisen DC-jäännöspoikkeaman. Kuvassa 6 (vasemmalla) näytetään hakkurikytkinten sisäiset piikit V1:ssä ja lähtöhakkurikytkinten jälkeen V2:ssa. Vahvistimen rajallinen kaistanleveys aiheuttaa lisää häiriöartefakteja hakkuritaajuuden parillisilla harmonisilla monikerroilla (kuva 6, oikealla).

Kuva 6: Häiriöjännite (vasen) syöttövarauksesta V1:ssä (hakkurikytkinten sisällä) ja V2:ssa (hakkurikytkinten ulkopuolella); vahvistimen rajallisen kaistanleveyden aiheuttamat häiriöt (oikealla) V1:ssä ja V2:ssa. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Kuten huojunnankin suhteen, vahvistinten suunnittelijat ovat kehittäneet ja ottaneet käyttöön hienovaraisia mutta tehokkaita tekniikoita häiriöiden vaikutusten vähentämiseksi ZD-vahvistimissa.

• Syöttövarauksen trimmaus: Trimmattava varaus voidaan syöttää hakkurivahvistimen tuloihin varauserojen kompensoimiseksi, mikä laskee syöttövirtaa operaatiovahvistimen tuloissa.
• Monikanavainen hakkuritoiminto: Tämä pienentää häiriön suuruutta ja siirtää sen korkeammalle taajuudelle, mikä helpottaa suodatusta. Korkeamman taajuuden hakkuritoimintoon verrattuna tämä tekniikka lisää häiriöiden esiintymistä, mutta ne ovat pienempiä.

Selkeä esimerkki monikanavaisesta hakkuritoiminnosta voidaan nähdä vertailtaessa tyypillistä ZD-vahvistinta (A) ja tätä tekniikkaa häiriöiden vaikutusten vähentämiseen käyttävää ADA4522-vahvistinta (kuva 7).

Kuva 7: Mukautettu hakkuritekniikka vähentää kohinahäiriöitä, minkä ansiosta ADA4522 laskee jännitepiikit pohjakohinan tasolle. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Pelkästä vahvistimesta koko järjestelmän suorituskykyyn

Laajakaistaisten ZD-vahvistinten tehokas hyödyntäminen vaatii sekä vahvistimen että järjestelmätason ongelmien huolellista harkintaa. On erittäin tärkeää ymmärtää jäljellä olevien taajuusartefaktien sijoittuminen taajuusspektrillä sekä niiden vaikutukset.

Hakkuritaajuus ilmoitetaan yleensä teknisissä tiedoissa, mutta ei aina. Sen voi määrittää myös katsomalla kohinaspektrin kuvaajaa. Esimerkiksi ADA4528-piirin teknisissä tiedoissa hakkuritaajuudeksi ilmoitetaan 200 kHz. Tämän voi havaita myös kohinatiheyden kuvaajasta (kuva 8).

Kuva 8: ADA4528-piirin teknisissä tiedoissa ilmoitetun 200 kHz:n hakkuritaajuuden voi havaita myös laitteen kohinatiheyden kuvaajasta. (Kuvan lähde: Analog Devices)

ADA4522-piirin teknisten tietojen mukaan hakkuritaajuus on 4,8 megahertsiä (MHz). Poikkeaman ja huojunnan korjaussilmukka toimii taajuudella 800 kHz. Nämä kohinahuiput ovat nähtävillä kuvan 9 kohinatiheyden kuvaajasta. Kohina myös nousee 6 MHz:n kohdalla johtuen pienemmästä vaihevarasta yksikkövahvistuksella, mutta tämä ei koske vain ZD-vahvistimia.

Kuva 9: ADA4522:n kohinatiheyden kuvaajasta voidaan nähdä hakkuritaajuus sekä myös muiden lähteiden aiheuttamat kohinahuiput. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Suunnittelijoiden on syytä muistaa, että teknisissä tiedoissa annettu taajuus on tyypillinen lukema, joka voi vaihdella yksittäisten osien välillä. Näin ollen järjestelmässä, joka vaatii kaksi hakkurivahvistinta useita signaalinkäsittelykanavia varten, tulisi käyttää kaksoisvahvistinta. Tämä johtuu siitä, että kahdella erillisellä vahvistimella voi olla hieman eri hakkuritaajuudet, mikä voi lisätä IMD-vääristymää.

Muita järjestelmätason suunnittelussa huomioitavia tekijöitä:

• Tulolähteen impedanssisovitus: Transienttivirtahäiriöt aiheuttavat yhdessä tulolähteen impedanssin kanssa jännite-erovirheitä, mikä voi lisätä artefakteja hakkuritaajuuden monikerroilla. Tämän mahdollisen virhelähteen minimoimiseksi hakkurijännitteen kukin tulo tulee suunnitella näkemään sama impedanssi.
• IMD ja laskostuman artefaktit: Hakkurivahvistimen tulosignaali voi sekoittua hakkuritaajuuteen f_CHOP, mikä synnyttää keskinäismodulaatiovääristymää niiden summa- ja erotustaajuuksilla sekä niiden harmonilla monikerroilla: f_IN ± f_CHOP, f_IN ± 2f_CHOP, 2f_IN ± f_CHOP ja niin edelleen. Näitä IMD-häiriöitä voi ilmetä käytettävälle kaistalle erityisesti jos f_IN lähestyy hakkuritaajuutta. Kuitenkin sellaisen ZD-vahvistimen valinta, jonka hakkuritaajuus on paljon suurempi kuin tulosignaalin kaistanleveys, vähentää tätä ongelmaa huomattavasti varmistamalla, että f_CHOP-taajuuden lähellä olevat todennäköiset häiriötekijät suodatetaan pois ennen tätä vahvistinvaihetta.

Myös hakkuriartefaktit voivat laskostua, kun vahvistimen lähdöstä otetaan näyte analogi-digitaalimuuntimella (Analog-to-Digital Converter, ADC). Näiden IMD-häiriöiden ominaisuudet riippuvat häiriöiden ja huojunnan suuruudesta, ja ne voivat vaihdella yksittäisten osien välillä, joten usein on tarpeen käyttää aliaskorjaussuodattimia ennen ADC-piiriä näiden IMD-häiriöiden vähentämiseksi.

Vähemmän yllättäen suodatus on kriittinen tekijä ZD-vahvistinten täyden potentiaalin saavuttamiseksi, koska se on tehokkain tapa käsitellä näitä korkean taajuuden artefakteja järjestelmätasolla. ZD-vahvistimen ja ADC-piirin välissä sijaitseva alipäästösuodatin vähentää hakkuriartefakteja ja välttää laskostumista.

Korkeamman hakkuritaajuuden ZD-vahvistimet helpottavat alipäästösuodattimen vaatimuksia ja mahdollistavat laajemman kaistanleveyden signaalille. Järjestelmässä saatetaan kuitenkin tarvita korkeamman tason aktiivinen suodatin yksinkertaisen sijaan, riippuen siitä, kuinka paljon järjestelmä ja signaaliketju vaativat kaistan ulkopuolisten signaalien hylkäämistä.

ADI tarjoaa useita resursseja suodatinten suunnittelun nopeuttamiseen ja yksinkertaistamiseen, mukaan lukien usean takaisinkytkennän suodattimen opas (MT-220) ja Wizard-verkkotyökalu suodatinten suunnitteluun. Näiden hakkuriartefaktien taajuuksien tunteminen auttaa tarvittavan suodattimen suunnittelussa (kuva 10).

Kuva 10: Taulukossa on yhteenveto kohinatyypeistä ja niiden spektrisijainnit ZD-vahvistimessa. Se on hyödyllinen opas tarvittavan suodatuksen ja sen taajuuden arviointiin. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Suorituskyvyn lopullinen optimointi

Yksi suunnittelijoiden kohtaamista ongelmista käytettäessä laadukkaita komponentteja huolellisesti suunnitellussa järjestelmässä on se, että jäljelle jäävät virhelähteet tulevatkin merkittäviksi. Aiemmin merkityksettömät tai näkymättömät virhelähteet ovatkin rajoittavia tekijöitä huipputason suorituskyvyn saavuttamisessa (tätä voidaan verrata siihen, kun joki kuivuu ja joenuoman muodot paljastuvat ensimmäistä kertaa). Toisin sanoen kolmannen kertaluvun virhelähteistä tulee ongelma, kun ensimmäisen ja toisen kertaluvun virhelähteet on minimoitu tai eliminoitu.

Esimerkiksi yksi ZD-vahvistinten ja niiden analogisten signaalikanavien potentiaalinen virhelähde on piirilevyn Seebeck-jännite. Tämä jännite esiintyy kahden erilaisen metallin liitoksessa, ja sen suuruus on liitoksen lämpötilan funktio. Yleisimmät metalliset piirilevyliitokset ovat piirilevyn ja komponenttien johtimiin tehdyt juotokset.

Katso piirilevylle juotetun pintaliitoskomponentin poikkileikkausta (kuva 11). Piirilevyn lämpötilaerot esimerkiksi TA1- ja TA2-arvojen välillä johtavat Seebeck-jännitteiden eroihin juotoksissa, mikä aiheuttaa jännitteiden lämpövirheitä, jotka taas heikentävät ZD-vahvistinten huippualhaisia offset-jännitteitä.

Kuva 11: Edistyneet ZD-vahvistimet vähentävät virheitä merkittävästi, joten vähemmän näkyvät virhelähteet esimerkiksi lämpötilaerojen ja Seebeck-jännitteiden suhteen muuttuvat ratkaistaviksi haasteiksi. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Näiden lämpöparivaikutusten minimoimiseksi vastukset tulee suunnata niin, että eri lämpölähteet lämmittävät kumpaakin päätä samalla tavalla. Jos vain mahdollista, tulosignaalipolun sisältämien komponenttien määrän ja tyypin tulee vastata lämpöpariliitosten määrää ja tyyppiä. Täytekomponentteja, kuten nollan ohmin vastuksia, voidaan käyttää piirin sovittamiseksi termosähköisen virhelähteen kanssa (jossa käytetään oikeita vastuksia vastakkaisella tulopolulla). Asettamalla sovituksessa käytettävät komponentit lähelle sovitettavia komponentteja ja asettamalla ne samaan suuntaan voidaan varmistaa saman suuruiset Seebeck-jännitteet ja kompensoida lämpövirheet.

Lisäksi voi olla tarpeen käyttää yhtä pitkiä johtimia lämmönjohtumisen tasapainottamiseksi. Piirilevyn lämmönlähteet on pidettävä niin kaukana vahvistimen tulopiiristä kuin on käytännössä mahdollista. Lisäksi lämpöä voidaan levittää ympäri piirilevyä käyttämällä maatasoa lämpötilan pitämiseksi vakiona ja EMI-kohinan vaikutusten vähentämiseksi.

Yhteenveto

Nykyaikaiset ZD-mikropiirit tarjoavat hyvin stabiilin ja tarkan suorituskyvyn. Tämä tekee niistä ratkaisun, joka haastaa analogiset esiasteet reaalimaailman sovelluksissa, joissa tarvitaan tarkkuutta ja yhdenmukaisuutta matalan taajuuden signaalien mittaamiseksi. Ne ratkaisevat näiden lähes tasavirtaisten signaaleiden tarkan vahvistamisen pitkäaikaisen ongelman ja sopivat useisiin tilanteisiin, joissa tarvitaan myös laaja kaistanleveys. Yhdistämällä hakkuripohjaisen vakautuksen ja automaattisen nollauksen samaan vahvistinpiiriin suunnittelijat voivat hyötyä kunkin lähestymistavan positiivisista ominaisuuksista samalla, kun niiden artefaktit ja puutteet minimoidaan.