Como conseguir precisão CC e largura de banda ampla utilizando amplificadores de Zero-Deriva

Existem muitos sinais de sensores reais, especialmente aqueles relacionados a fenômenos naturais, que apresentam apenas mudanças muito lentas e leves em relação ao tempo. No entanto, essas mudanças sutis são importantes para desenvolver uma visão e uma compreensão da situação. Entre os muitos exemplos estão os extensômetros que monitoram o movimento de uma ponte ou estrutura, transdutores submarinos para o fluxo no momento, fenômenos relacionados à temperatura, acelerômetros que detectam o movimento relacionado a terremotos e deslocamentos das placas tectônicas, saídas de vários sensores óticos e quase todos os sinais biopotenciais.

A captura eficaz e precisa de sinais de baixíssimo nível sempre foi um desafio. Eles são facilmente corrompidos pelo ruído, portanto, amplificá-los é fundamental para atingir a amplitude necessária e manter a relação sinal/ruído (SNR). A baixa frequência desses sinais, muitas vezes em um único dígito ou de dezenas de hertz (Hz), coloquial e universalmente chamados de "sinais CC", aumenta o desafio.

Qualquer offset inicial CC nos parâmetros do amplificador, como corrente de polarização ou offset de tensão, o ruído (rosa) inerente 1/f, bem como as subsequentes mudanças inevitáveis de desempenho devido ao offset induzido pela temperatura, variações na trilha de alimentação ou envelhecimento dos componentes irá degradar o desempenho da cadeia de sinais.

Tradicionalmente, os chamados amplificadores de "zero-deriva" têm sido viáveis apenas para aplicações de menor largura de banda, uma vez que técnicas de redução dinâmica de erros produzem artefatos excessivos em frequências mais altas. Entretanto, isso é uma restrição muito limitante, pois esses sinais do tipo CC podem ter rajadas repentinas de frequências mais altas e atividade de maior largura de banda, como quando uma estrutura se quebra repentinamente ou um terremoto ocorre.

Por essa razão, um amplificador front-end que apresenta um offset muito baixo para sinais do tipo CC e tem um bom desempenho nas frequências mais altas é muito desejável. Felizmente, melhorias na topologia e no projeto possibilitaram o desenvolvimento de CIs amplificadores de zero-deriva para operação de CC até frequências mais altas que essencialmente eliminam o offset, a deriva de parâmetros e o ruído 1/f.

Este artigo utilizará componentes da Analog Devices (ADI) para ilustrar as especificidades dos amplificadores de zero-deriva, seus parâmetros e problemas. Em seguida, analisará como as funções do amplificador de zero-deriva são realizadas, bem como as técnicas para melhorar o desempenho do amplificador e da cadeia de sinais associada.

Lidando com a deriva não-zero

A deriva é uma mudança no desempenho da referência e se deve principalmente, mas não inteiramente, a vários efeitos térmicos no sensor, bem como no circuito de front-end analógico (AFE). A solução tradicional para alcançar um offset próximo a zero é usar um amplificador estabilizado por chopper que modula o sinal de baixa frequência (frequentemente chamado de sinal CC) para uma frequência mais alta que é mais fácil de controlar e filtrar; a subsequente desmodulação do estágio de saída pelo amplificador restaura o sinal original, mas de uma forma amplificada. Essa técnica funciona e tem sido utilizada com sucesso por muitos anos.

Note que "sinal CC" é meio que um nome errado, "quase CC" seria mais correto. Se o sinal fosse verdadeiramente CC e, portanto, tivesse um valor constante, ele não teria variações trazendo informação; ao invés disso, as variações lentas é que são de interesse. Ainda assim, a terminologia comum é usar o termo "sinal CC".

Uma alternativa à estabilização baseada em chopper é a abordagem de "auto-zeragem". Essa técnica utiliza correção dinâmica para obter resultados semelhantes, mas com um conjunto um pouco diferente de prós e contras no desempenho. Os amplificadores operacionais de zero-deriva podem usar corte, auto-zeragem ou uma combinação de ambas as técnicas para remover fontes indesejadas de erros de baixa frequência. Mais uma vez, há uma pequena questão terminológica: o termo "zero-deriva" é um pouco enganador: embora esses amplificadores tenham uma deriva extremamente baixa, muito próxima de zero, eles não são perfeitos; mesmo que estejam impressionantemente próximos de zero. Cada técnica tem seus benefícios e inconvenientes e é utilizada em diferentes aplicações:

• O corte usa modulação e desmodulação de sinal e tem menor ruído de banda de base, mas também produz artefatos de ruído na frequência de corte e suas harmônicas.
• Como alternativa, a auto-zeragem usa um circuito de amostra e retenção e é adequada para aplicações de banda mais ampla, mas tem mais ruído de tensão na banda devido ao ruído de "rebatimento" para a parte da banda de base do espectro.
• Os CIs amplificadores avançados com zero-deriva combinam ambas as técnicas para oferecer o melhor dos dois mundos. Eles gerenciam a densidade espectral do ruído (NSD) para oferecer menor ruído de banda de base, minimizando erros de alta frequência como ondulação, falhas e distorção de intermodulação (IMD) (Figura 1).

Figura 1: Cada tipo de amplificador analógico tem uma densidade espectral de ruído típica única (NSD); o amplificador de zero-deriva aceita o desempenho NSD do auto-zero e abordagens estabilizadas por chopper para produzir um cenário mais aceitável. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Comece cortando

O amplificador estabilizado por chopper (também chamado de amplificador de corte ou apenas "chopper") usa um circuito de corte para interromper (cortar) o sinal de entrada para que ele possa ser processado como se fosse um sinal CA modulado. Em seguida, desmodula o sinal de volta para um sinal CC na saída para extrair o sinal original.

Dessa forma, sinais CC extremamente pequenos podem ser amplificados enquanto os efeitos de derivações indesejadas são grandemente minimizados a quase zero. A modulação de corte separa o ruído de offset e de baixa frequência do conteúdo do sinal, modulando os erros para frequências mais altas, onde eles são mais facilmente minimizados ou removidos através de filtragem.

Os detalhes da operação de corte são facilmente compreendidos no domínio do tempo (Figura 2). O sinal de entrada (a) é modulado pelo sinal de corte (b) em uma onda quadrada. Esse sinal é desmodulado (c) na saída (d) de volta para CC. Os erros inerentes de baixa frequência (forma de onda vermelha) no amplificador são (c) modulados na saída para uma onda quadrada, que é então (d) filtrada por um filtro de passa-baixa (LPF).

Figura 2: formas de onda no domínio do tempo do sinal de entrada V_IN (azul) e erros (vermelho) na (a) entrada, (b) V1, (c) V2, e (d) V_OUT para a técnica básica de corte. (Fonte da imagem: Analog Devices)

A análise no domínio da frequência também é instrutiva (Figura 3). O sinal de entrada (a) é modulado para a frequência de corte (b), processado pelo estágio de ganho em f_CHOP, desmodulado na saída de volta para CC (c) e finalmente passa pelo LPF (d). As fontes de offset e ruído (sinal vermelho) do amplificador são processadas em CC através do estágio de ganho, moduladas para f_CHOP pelos comutadores de corte de saída (c) e finalmente filtradas pelo LPF (d). Como a modulação de onda quadrada é utilizada, a modulação ocorre em torno de múltiplos ímpares da frequência de modulação.

Figura 3: o espectro no domínio da frequência do sinal (azul) e erros (vermelho) na entrada (a), (b) V1, (c) V2 e (d) V_OUT também é uma perspectiva importante. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Naturalmente, nenhum projeto é perfeito. Tanto o domínio do tempo quanto o domínio da frequência mostram que haverá algum erro residual devido ao ruído modulado e à compensação, já que o LPF não é uma "parede de tijolos" perfeita.

Avançar para a auto-zeragem

Auto-zeragem é uma técnica de correção dinâmica que funciona por amostragem e subtração de fontes de erro de baixa frequência em um amplificador. Um amplificador auto-zero básico consiste de um amplificador com seu offset e ruído inevitáveis, interruptores para reconfigurar a entrada e saída e um capacitor de amostragem auto-zero (Figura 4).

Figura 4: a configuração básica do amplificador auto-zero mostra os interruptores usados para reconfigurar o caminho do sinal e assim capturar os erros inerentes ao amplificador em um capacitor. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Durante a fase de auto-zero, ϕ₁, a entrada do circuito é curto-circuitada a uma tensão comum e o capacitor de auto-zero recolhe amostras da tensão de offset de entrada e do ruído. É importante notar que o amplificador está "indisponível" para a amplificação do sinal durante essa fase, pois está ocupado com outra tarefa. Assim, para que um amplificador auto-zerado funcione de forma contínua, dois canais idênticos devem ser intercalados na chamada auto-zeragem "ping-pong".

Durante a fase de amplificação, ϕ₂, a entrada é conectada novamente ao caminho do sinal e o amplificador está novamente disponível para amplificar o sinal. O ruído de baixa frequência, offset e deriva são cancelados pela auto-zeragem. O erro restante é a diferença entre o valor atual e a amostra anterior dos erros.

Como as fontes de erros de baixa frequência não mudam muito da ϕ₁ para a ϕ₂, essa subtração funciona bem. Entretanto, o ruído de alta frequência é aliado à banda de base e resulta em um aumento do piso de ruído branco (Figura 5).

Figura 5: a densidade espectral de potência do ruído é moldada pelas ações de corte e auto-zero, como visto (da esquerda para a direita) antes do auto-zero, depois do auto-zero, depois do corte, e depois do corte e auto-zero. (Fonte da imagem: Analog Devices)

O desempenho dos CIs amplificadores avançados de auto-zeragem é impressionante. Eles são normalmente melhores do que um amplificador operacional de precisão "muito bom" por uma a duas ordens de magnitude em offset crítico, derivação e especificações de ruído. Portanto, embora seus números não sejam obviamente zero, eles estão muito próximos dele.

Por exemplo, o ADA4528 é um amplificador zero-deriva de canal único, rail-to-rail (RTR), com tensão de offset máxima de 2,5 microvolts (μV), um offset máximo de tensão de deriva de apenas 0,015 μV/°C e uma densidade de ruído de tensão de 5,6 nano volts por raiz Hertz (nV)/√Hz) (a f = 1 quilohertz (kHz), ganho de +100) e 97 nV_{pico a pico} (para f = 0,1 Hz a 10 Hz, ganho de +100). O ADA4522, outro amplificador zero-deriva de canal único RTR, oferece uma tensão de offset máxima de 5 μV, um offset máximo de tensão de deriva de 22 nV/°C, uma densidade de ruído de tensão de 5,8 nV/√Hz (típico) e 117 nV_{pico a pico}, de 0,1 Hz a 10 Hz (típico), juntamente com uma corrente de polarização de entrada de 50 picoampéres (pA) (típico).

Os artefatos podem diminuir a "perfeição"

Embora o corte funcione bem para remover o offset, a deriva e o ruído 1/f indesejados, ele produz inerentemente artefatos AC indesejados, tais como ondulações e falhas de saída. Entretanto, devido ao exame cuidadoso da causa subjacente de cada artefato, seguido pelo uso de topologias avançadas ou sofisticadas e abordagens de processo, os produtos com zero-deriva da Analog Devices tornaram a magnitude desses artefatos muito menor e os colocaram em frequências mais altas onde são mais fáceis de filtrar no nível do sistema. Esses artefatos incluem:

Ondulação: uma consequência básica da técnica de modulação de corte que move esses erros de baixa frequência para harmônicas estranhas da frequência de corte. Os projetistas de amplificadores empregam muitos métodos para reduzir os efeitos da ondulação, inclusive:

• Ajuste na produção de offset: o offset nominal pode ser significativamente reduzido através de um corte inicial único, mas o offset da deriva e o ruído 1/f permanecem.
• Combinação de corte e auto-zeragem: o amplificador é primeiro auto-zerado, depois cortado para modular a densidade espectral de ruído aumentada (NSD) para uma frequência maior (como visto na figura anterior, que mostrava o espectro de ruído resultante após o corte e a auto-zeragem).
• Realimentação de autocorreção (ACFB): Uma malha de realimentação local pode ser usada para detectar a ondulação modulada na saída e anular os erros de baixa frequência em sua fonte.

Falhas: picos transitórios que são causados pelo descasamento da injeção de carga dos interruptores de corte. A magnitude dessas falhas depende de muitos fatores, incluindo a impedância da fonte e a quantidade de descasamento de carga.

Os picos de falha não só causam artefatos nas harmônicas pares da frequência de corte, mas também criam um offset CC residual proporcional à frequência de corte. A Figura 6 (esquerda) ilustra como são esses picos dentro das chaves de corte em V1 e depois das chaves de corte de saída em V2. Artefatos adicionais de falhas em harmônicas pares da frequência de corte são causados pela largura de banda finita do amplificador (Figura 6, à direita).

Figura 6: tensão de falha (esquerda) da injeção de carga em V1 (dentro dos interruptores de corte) e V2 (fora dos interruptores de corte); falhas (direita) causadas pela largura de banda finita do amplificador em V1 e em V2. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Assim como com a ondulação, os projetistas de amplificadores conceberam e implementaram técnicas sutis, mas eficazes, para reduzir o impacto das falhas em amplificadores de zero-deriva.

• Ajuste de injeção de carga: uma carga ajustável pode ser injetada nas entradas de um amplificador chopper para compensar o descasamento da carga, o que reduz a quantidade de corrente de entrada nas entradas do amplificador operacional.
• Corte multicanal: isso não só reduz a magnitude da falha como também a move para uma frequência maior, tornando a filtragem mais fácil. Essa técnica resulta em falhas mais frequentes, mas com magnitudes menores do que simplesmente cortar em uma frequência maior.

Uma clara demonstração do corte multicanal é vista na comparação entre um amplificador típico de zero-deriva (A) com o ADA4522, que usa essa técnica para reduzir significativamente o impacto das falhas (Figura 7).

Figura 7: devido a suas falhas de ruído menores, que são resultado de sua técnica de corte modificada, o ADA4522 reduz os picos de tensão ao piso de ruído. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Do amplificador isolado ao desempenho do sistema

A aplicação efetiva de amplificadores zero-deriva de banda larga requer uma cuidadosa consideração das questões a nível de sistema, bem como do amplificador. Compreender onde os artefatos de frequência restantes estão no espectro de frequência e seu impacto é crítico.

A frequência de corte é normalmente declarada na ficha técnica, mas pode não aparecer. Também pode ser determinada observando o gráfico do espectro de ruído. Por exemplo, a ficha técnica do ADA4528 indica explicitamente uma frequência de corte de 200 kHz. Ela também pode ser vista em seu gráfico de densidade de ruído (Figura 8).

Figura 8: a especificação de frequência de corte de 200 kHz da ficha técnica do ADA4528 é reiterada pelo gráfico de densidade de ruído para o dispositivo. (Fonte da imagem: Analog Devices)

A ficha técnica do ADA4522 afirma que a frequência de corte é de 4,8 megahertz (MHz) com um offset e malha de correção de ondulação operando a 800 kHz. O gráfico de densidade de ruído na Figura 9 mostra esses picos de ruído. Há também um choque de ruído a 6 MHz devido à margem de fase reduzida da malha quando em ganho unitário, mas isso não é exclusivo dos amplificadores de zero-deriva.

Figura 9: o gráfico da densidade de ruído para o ADA4522 revela não apenas a frequência de corte, mas também outros picos de ruído devido a várias fontes. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Os projetistas devem ter em mente que a frequência mencionada na ficha técnica é um número típico e pode variar de peça para peça. Portanto, um projeto de sistema que requer dois amplificadores chopper para múltiplos canais de condicionamento de sinal deve usar um amplificador duplo. Isso porque os dois amplificadores individuais podem ter frequências de corte ligeiramente diferentes, o que, por sua vez, pode interagir e causar IMD adicionais.

Outras condições de projeto a nível de sistema incluem:

• Casamento da impedância da fonte de entrada: as falhas de corrente transitória interagem com a impedância da fonte de entrada para causar erros de tensão diferencial, resultando potencialmente em artefatos adicionais em múltiplos da frequência de corte. Para minimizar essa fonte potencial de erro, cada entrada de um amplificador chopper deve ser projetada para receber a mesma impedância.
• IMD e artefatos de aliasing: um sinal de entrada do amplificador chopper pode se misturar com a frequência de corte f_CHOP para criar IMD nos produtos de sua soma e diferença, e suas harmônicas: f_IN ± f_CHOP, f_IN ± 2f_CHOP, 2f_IN ± f_CHOP e assim por diante. Esses produtos IMD podem aparecer na faixa de interesse, especialmente quando o f_IN se aproxima da frequência de corte. Entretanto, a seleção de um amplificador de zero-deriva com uma frequência de corte muito maior do que a largura de banda do sinal de entrada minimiza muito esse problema, assegurando que os prováveis "interferentes" em frequências próximas a f_CHOP sejam filtrados antes desse estágio de amplificação.

Os artefatos de corte também podem ser aliados durante a amostragem da saída do amplificador com um conversor analógico-digital (ADC). As especificidades desses produtos IMD dependem de falhas e magnitudes de ondulação, e podem variar de peça para peça, portanto, muitas vezes é necessário incluir filtros de suavização antes do ADC para reduzir essa IMD.

Não surpreendentemente, a filtragem é fundamental para liberar todo o potencial dos amplificadores de zero-deriva, pois é a maneira mais eficaz de lidar com esses artefatos de alta frequência a nível de sistema. Um filtro passa-baixa entre o amplificador de zero-deriva e o ADC reduz os artefatos de corte e evita o aliasing.

Amplificadores zero-deriva com frequências de corte mais altas diminuem as exigências do LPF e permitem uma maior largura de banda de sinal. No entanto, dependendo de quanta rejeição fora de banda for necessária para o sistema e para a cadeia de sinais, pode ser preciso um filtro ativo de alta ordem em vez de um filtro simples.

A ADI tem vários recursos para acelerar e simplificar o projeto do filtro, incluindo um tutorial de filtro de realimentação múltipla (MT-220) e a ferramenta on-line para projeto de filtro Wizard. O conhecimento das frequências em que esses artefatos de corte ocorrem ajudará a criar o filtro necessário (Figura 10).

Figura 10: a tabela resume os tipos de ruído e sua localização espectral para amplificadores de zero-deriva, e é um guia útil para avaliar que tipo de filtragem é necessária e onde. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Obtendo até a última gota de desempenho

Um dos problemas que os projetistas encontram quando usam componentes superiores em conjunto com o projeto cuidadoso do sistema é que as fontes de erro residual agora se tornam significativas. Fontes de erro que antes eram irrelevantes ou invisíveis agora são fatores limitantes para alcançar um desempenho de excepcional (é análogo a quando um rio seca em uma estiagem e novas características do leito do rio são reveladas pela primeira vez). Em outras palavras, as fontes de erro de terceira ordem tornam-se o problema quando as fontes de erro de primeira e segunda ordem são minimizadas ou eliminadas.

Por exemplo, para amplificadores de zero-deriva e seus canais de sinais analógicos, uma fonte potencial de erro de offset é a tensão de Seebeck na placa de circuito. Essa tensão ocorre na junção de dois metais diferentes e é uma função da temperatura da junção. As junções metálicas mais comuns em uma placa de circuito são a da solda com a trilha da placa e da solda com o terminal do componente.

Considere a seção transversal de um componente de montagem em superfície soldado a uma placa de circuito impresso (placa pci) (Figura 11). Uma variação na temperatura em toda a placa, como em TA1 diferente de TA2, causa um descasamento nas tensões de Seebeck nas juntas de solda, resultando em erros de tensão térmica que degradam o desempenho da tensão de offset ultrabaixa dos amplificadores de zero-deriva.

Figura 11: como os amplificadores avançados de zero-deriva reduzem significativamente seus erros, fontes menos visíveis, como aquelas devidas a gradientes térmicos e tensão de Seebeck tornam-se um desafio e devem ser resolvidas. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Para minimizar esses efeitos dos termopares, os resistores devem ser orientados de modo que as várias fontes de calor aqueçam igualmente ambas as extremidades. Sempre que possível, os caminhos do sinal de entrada devem conter as mesmas quantidades e tipos de componentes para corresponder ao número e tipo de junções dos termopares. Componentes fictícios, tais como resistores de zero ohm, podem ser usados para casar a fonte de erro termoelétrico (com os resistores reais no caminho de entrada oposto). A colocação de componentes correspondentes próximos entre si e a orientação desses da mesma forma garantirá tensões de Seebeck iguais, cancelando assim os erros térmicos.

Além disso, pode ser necessário utilizar condutores de igual comprimento para manter a condução térmica em equilíbrio. As fontes de calor na placa devem ser mantidas o mais distante possível do circuito de entrada do amplificador. Além disso, um plano terra pode ser usado para ajudar a distribuir o calor por toda a placa para manter uma temperatura constante em toda a placa e reduzir a captação de ruído EMI.

Conclusão

Os atuais CIs de zero-deriva oferecem desempenho altamente estável e preciso, tornando-os a solução para o desafio dos AFEs em aplicações reais que exigem precisão e consistência ao capturar sinais de baixíssima frequência. Eles resolvem o antigo problema de amplificar com precisão esses sinais que são ou estão próximo de serem CC, bem como muitas situações em que também é necessária maior largura de banda. Ao juntar as duas técnicas disponíveis para construir tais amplificadores em um único CI — isso é, a estabilização baseada em chopper e a auto-zeragem — os projetistas se beneficiam dos atributos positivos de cada abordagem, o que também minimiza muito seus artefatos e deficiências.