Due modi per azzerare gli errori della catena del segnale con amplificatori chopper

di Evan Sawyer, Systems Engineer, Precision amplifiers, Texas Instruments

Con l’aumentare della necessità di catene di segnale a maggiore risoluzione e velocità per apparecchiature industriali (come controllori logici programmabili, bilance e apparecchiature di test automatizzate), aumenta anche la necessità di amplificatori ad alta precisione che agiscano come driver di convertitori analogico/digitale (ADC) e buffer di riferimento di tensione in tali catene di segnale.

In questo articolo, tratteremo due comuni problemi che si verificano durante la progettazione di una catena di segnale di precisione e come risolverli. Per prima cosa, è importante capire gli amplificatori chopper, il cui impiego è diffuso in questi sistemi.

 

Che cos’è un amplificatore chopper?

Un amplificatore chopper è un tipo di amplificatore operazionale a deriva zero (amplificatore operazionale) noto per avere una tensione di offset molto bassa, grazie ad una topologia interna che riduce al minimo l’offset dell’amplificatore indipendentemente dalla configurazione. Ciò si traduce in errori di offset molto bassi (offset, deriva, rapporto di reiezione di modo comune [CMRR], rapporto di reiezione dell’alimentazione [PSRR] e guadagno di tensione ad anello aperto [Aol]), come mostrato nella Figura 1. Un altro vantaggio di questa topologia è che presenta un rumore 1/f piatto (o flicker noise, rumore rosa), in quanto l’amplificatore percepisce (e quindi riduce al minimo) il rumore a bassa frequenza come un errore CC. Gli amplificatori chopper sono una scelta eccellente per applicazioni che richiedono un’elevata precisione su frequenze che vanno dalla CC a decine di kilohertz, come nel caso del monitoraggio della temperatura di precisione, delle misurazioni del ponte di Wheatstone e del buffer di riferimento della tensione.

Figura 1: Gli amplificatori chopper hanno bassi errori di offset e una curva di rumore 1/f piatta grazie alla loro architettura

 

Torniamo ora alle sfide da affrontare per le catene di segnale di precisione.

Sfida n. 1: ridurre al minimo gli errori di offset sull’andamento della temperatura

Una delle principali sfide in fase di progettazione di una catena di segnale di precisione è ridurre al minimo gli errori di offset introdotti dal driver ADC e dal buffer di riferimento. Sebbene l’esecuzione della calibrazione durante la produzione possa migliorare l’offset e le prestazioni di CMRR, PSRR e Aol, la deriva della tensione di offset risulta di difficile e costosa calibrazione, in quanto richiede la modifica della temperatura del sistema in produzione o l’aggiunta di un loop di calibrazione, il che aumenta le dimensioni del sistema e i costi in distinta base. Invece di calibrare per la deriva dell’offset, l’uso di un amplificatore chopper aiuta a risolvere questo problema grazie alle sue prestazioni di deriva dell’offset intrinsecamente basse.

Tuttavia, la prossima generazione di amplificatori chopper presenta un nuovo problema, in quanto impedisce a questi dispositivi di raggiungere una deriva dell’offset ancora migliore. Questo problema è noto come effetto Seebeck, che fa parte dell’effetto termocoppia. L’effetto Seebeck consiste nella generazione di un potenziale elettrico attraverso un gradiente di temperatura, che si verifica naturalmente in un amplificatore che si auto-riscalda durante il funzionamento, così come alla temperatura ambiente. Questo gradiente aumenta in un dispositivo che utilizza metalli diversi nel percorso del segnale, dai pin al core dell’amplificatore.

Dopo aver riconosciuto questa limitazione e aver condotto esperimenti approfonditi con materiali diversi, TI ha individuato una combinazione di materiali che ha consentito la produzione dell’OPA2182 con una deriva massima di soli 12 nV/°C per l’offset nell’intero intervallo di temperatura da -40 °C a 125 °C. La Figura 2 confronta la deriva dell’offset dell’OPA2182 con un amplificatore non-chopper, l’OPA2140.

Figura 2: Confronto tra la deriva dell’offset di OPA2182 e di OPA2140 tagliato al laser

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