Cómo conseguir precisión de CC y gran ancho de banda con amplificadores de deriva cero

Hay muchas señales de sensores del mundo real, sobre todo las relacionadas con fenómenos naturales, que solo muestran cambios muy lentos y leves en función del tiempo. Sin embargo, son estos cambios sutiles los que son importantes para desarrollar la percepción y la comprensión de la situación. Entre los numerosos ejemplos, cabe citar las bandas extensométricas que controlan el movimiento de puentes o estructuras, los transductores subacuáticos para el flujo de corriente, los fenómenos relacionados con la temperatura, los acelerómetros que detectan movimientos relacionados con terremotos y desplazamientos de la superficie terrestre, las salidas de diversos sensores ópticos y casi todas las señales biopotenciales.

Captar con eficacia y precisión señales de muy bajo nivel siempre ha sido un reto. El ruido los corrompe con facilidad, por lo que amplificarlos es fundamental para conseguir la amplitud necesaria y mantener la relación señal/ruido (SNR). La baja frecuencia de estas señales, a menudo de un solo dígito o decenas de Hertz (Hz) y denominadas coloquial y universalmente "señales de CC", se suma al reto.

Cualquier desviación inicial de CC en los parámetros del amplificador, como la corriente de polarización o la desviación de tensión, y el ruido 1/f (rosa) inherente, así como los posteriores cambios inevitables en el rendimiento debidos a la deriva inducida por la temperatura, las variaciones en el raíl de alimentación o el envejecimiento de los componentes, degradarán el rendimiento de la cadena de señal.

Tradicionalmente, los denominados amplificadores de "deriva cero" solo han sido viables para aplicaciones de menor ancho de banda, ya que las técnicas de reducción dinámica de errores producen artefactos excesivos a frecuencias más altas. Sin embargo, se trata de una restricción muy limitada, ya que estas señales de tipo CC pueden tener ráfagas repentinas de actividad importante de mayor frecuencia y ancho de banda, como cuando se fractura repentinamente una estructura o se produce un terremoto.

Por esta razón, es muy deseable un amplificador front-end que presente una deriva muy baja para señales similares a CC y tenga un buen rendimiento a frecuencias más altas. Afortunadamente, las mejoras en la topología y el diseño han permitido el desarrollo de CI amplificadores de deriva cero para el funcionamiento desde CC hasta frecuencias más altas que eliminan esencialmente la desviación, la deriva de los parámetros y el ruido 1/f.

En este artículo se utilizarán componentes de Analog Devices (ADI) para ilustrar las particularidades de los amplificadores de deriva cero, sus parámetros y problemas. A continuación, se estudiará cómo se realizan las funciones del amplificador de deriva cero, así como las técnicas para mejorar el rendimiento del amplificador y la cadena de señal asociada.

Deriva distinta de cero

La deriva es un cambio en el rendimiento de referencia y se debe principalmente, aunque no en su totalidad, a diversos efectos térmicos en el sensor, así como a los circuitos del front-end analógico (AFE). La solución tradicional para conseguir una deriva cercana a cero es utilizar un amplificador estabilizado por chopper que modula la señal de baja frecuencia (a menudo llamada señal CC) a una frecuencia más alta que es más fácil de controlar y filtrar; la posterior demodulación de la etapa de salida por el amplificador restaura la señal original, pero en una forma amplificada. Esta técnica funciona y se ha utilizado con éxito durante muchos años.

Tenga en cuenta que "señal de CC" es un término algo equivocado, y que "cerca de CC" sería más exacto. Si la señal fuera realmente CC y, por tanto, tuviera un valor constante, no tendría variaciones informativas; en cambio, lo que interesa son las variaciones lentas. Aun así, la terminología común es utilizar el término "señal CC".

Una alternativa a la estabilización basada en chopper es el enfoque "auto-cero". Esta técnica utiliza la corrección dinámica para lograr resultados similares, pero con un conjunto de ventajas y desventajas de rendimiento algo diferentes. Los amplificadores operacionales de deriva cero pueden utilizar chopping, auto-cero o una combinación de ambas técnicas para eliminar las fuentes de error de baja frecuencia no deseadas. De nuevo, hay un pequeño problema de terminología: el término "deriva cero" es ligeramente engañoso: aunque estos amplificadores tienen una deriva extremadamente baja, muy cercana a cero, no son perfectos, aunque se aproximan impresionantemente. Cada técnica tiene sus ventajas e inconvenientes y se utiliza en aplicaciones diferentes:

• El troceado utiliza la modulación y demodulación de la señal y tiene menos ruido en la banda base, pero también produce artefactos de ruido en la frecuencia de troceado y sus armónicos.
• Alternativamente, la puesta a cero automática utiliza un circuito de muestreo y retención y es adecuada para aplicaciones de banda más ancha, pero tiene más ruido de voltaje dentro de la banda debido al "retorno" del ruido a la parte de banda base del espectro.
• Los CI amplificadores avanzados de deriva cero combinan ambas técnicas para ofrecer lo mejor de los dos mundos. Gestionan la densidad espectral de ruido (NSD) para ofrecer un ruido de banda base más bajo y minimizar al mismo tiempo los errores de alta frecuencia, como ondulaciones, glitches y distorsión por intermodulación (IMD) (Figura 1).

Figura 1: Cada tipo de amplificador analógico tiene una densidad espectral de ruido (NSD) típica única; el amplificador de deriva cero acepta el rendimiento NSD de los enfoques autocero y estabilizado por chopper para obtener un escenario más aceptable. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Empezar con chopping

El amplificador estabilizado por chopper (también llamado amplificador de chopping o simplemente "chopper") utiliza un circuito de chopping para descomponer (trocear) la señal de entrada de modo que pueda procesarse como si fuera una señal de CA modulada. A continuación, demodula la señal de vuelta a una señal de CC en la salida para extraer la señal original.

De este modo, las señales de CC extremadamente pequeñas pueden amplificarse mientras que los efectos de las derivas no deseadas se minimizan en gran medida hasta casi cero. La modulación de chopping separa el ruido de offset y de baja frecuencia del contenido de la señal modulando los errores a frecuencias más altas, donde son mucho más fáciles de minimizar o eliminar mediante filtrado.

Los detalles de la operación de troceado se comprenden fácilmente en el dominio temporal (Figura 2). La señal de entrada (a) es modulada por la señal de corte (b) en una onda cuadrada. Esta señal se demodula (c) a la salida (d) de nuevo a CC. Los errores de baja frecuencia inherentes (forma de onda roja) en el amplificador se (c) modulan en la salida a una onda cuadrada, que luego (d) se filtra mediante un filtro de paso bajo (LPF).

Figura 2: Formas de onda en el dominio del tiempo de la señal de entrada V_IN (azul) y errores (rojo) en (a) entrada, (b) V1, (c) V2, y (d) V_OUT para la técnica básica de chopping. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

El análisis en el dominio de la frecuencia también es instructivo (Figura 3). La señal de entrada (a) se modula a la frecuencia de corte (b), se procesa por la etapa de ganancia a f_CHOP, se demodula a la salida de vuelta a CC (c) y, finalmente, pasa por el LPF (d). Las fuentes de offset y ruido (señal roja) del amplificador se procesan en CC a través de la etapa de ganancia, moduladas a f_CHOP por los interruptores de corte de salida (c), y finalmente filtradas por el LPF (d). Como se utiliza modulación de onda cuadrada, la modulación se produce en torno a múltiplos impares de la frecuencia de modulación.

Figura 3: El espectro en el dominio de la frecuencia de la señal (azul) y los errores (rojo) en (a) la entrada, (b) V1, (c) V2 y (d) V_OUT también es una perspectiva importante. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Por supuesto, ningún diseño es perfecto. Tanto las figuras en el dominio del tiempo como en el dominio de la frecuencia muestran que habrá algún error residual debido al ruido modulado y al desplazamiento, ya que el LPF no es una "pared de ladrillos" perfecta.

Avanzar a autocero

La puesta a cero automática es una técnica de corrección dinámica que funciona mediante el muestreo y la sustracción de fuentes de error de baja frecuencia en un amplificador. Un amplificador de autocero básico consta de un amplificador con su inevitable desviación y ruido, interruptores para reconfigurar la entrada y la salida, y un condensador de muestreo de autocero (Figura 4).

Figura 4: La configuración básica del amplificador autocero muestra los interruptores utilizados para reconfigurar la ruta de la señal y capturar así los errores inherentes del amplificador en un condensador. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Durante la fase de autocero, ϕ₁, la entrada del circuito se cortocircuita a una tensión común y el condensador de autocero muestrea el voltaje de compensación de entrada y el ruido. Es importante señalar que el amplificador "no está disponible" para la amplificación de la señal durante esta fase, ya que está ocupado con otra tarea. Así, para que un amplificador autocero funcione de forma continua, deben entrelazarse dos canales idénticos en lo que se denomina autocero "ping-pong".

Durante la fase de amplificación, ϕ₂, la entrada se conecta de nuevo a la ruta de la señal, y el amplificador vuelve a estar disponible para amplificar la señal. El ruido de baja frecuencia, el desplazamiento y la deriva se cancelan mediante la puesta a cero automática. El error restante es la diferencia entre el valor actual y la muestra anterior de los errores.

Como las fuentes de error de baja frecuencia no cambian mucho de ϕ₁ a ϕ₂, esta sustracción funciona bien. Sin embargo, el ruido de alta frecuencia se desplaza a la banda base y provoca un aumento del ruido blanco de fondo (Figura 5).

Figura 5: La densidad espectral de potencia del ruido está determinada por las acciones de picado y autocero, como se ve (de izquierda a derecha) antes del autocero, después del autocero, después del picado y después del picado y el autocero. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

El rendimiento de los amplificadores CI avanzados con puesta a cero automática es impresionante. Suelen ser mejores que incluso un amplificador operacional de precisión "muy bueno" en uno o dos órdenes de magnitud en las especificaciones críticas de desviación, deriva y ruido. Así que, aunque obviamente sus cifras no son cero, están muy cerca de serlo.

Por ejemplo, el ADA4528 es un amplificador monocanal, de carril a carril (RTR) y deriva cero que presenta una tensión de offset máxima de 2,5 microvoltios (μV), una deriva de voltaje de offset máxima de sólo 0.015 μV/°C, y una densidad de ruido de voltaje de 5,6 nanovoltios por raíz de Hertz (nV)/√Hz) (a f = 1 kilohercio (kHz), ganancia de +100), y 97 _nVpico-pico (para f = 0.1 Hz a 10 Hz, ganancia de +100). El ADA4522, otro amplificador RTR monocanal de deriva cero, ofrece una tensión de offset máxima de 5 μV, una deriva de voltaje de offset máxima de 22 nV/°C, una densidad de ruido de voltaje de 5.8 nV/√Hz (típica) y 117 _nVpico-pico de 0.1 Hz a 10 Hz (típica), junto con una corriente de polarización de entrada de 50 picoamperios (pA) (típica).

Los artefactos pueden disminuir la "perfección"

Aunque el chopping funciona bien para eliminar el offset no deseado, la deriva y el ruido 1/f, intrínsecamente produce artefactos de CA no deseados como ondulación de salida y fallos. Sin embargo, gracias a un cuidadoso examen de la causa subyacente de cada artefacto, seguido del uso de topologías y enfoques de proceso avanzados o sofisticados, los productos de deriva cero de Analog Devices han conseguido que la magnitud de estos artefactos sea mucho menor, y los han situado en frecuencias más altas, donde son más fáciles de filtrar a nivel de sistema. Estos artefactos incluyen:

Ondulación: Consecuencia básica de la técnica de modulación de picado que traslada estos errores de baja frecuencia a armónicos impares de la frecuencia de picado. Los diseñadores de amplificadores emplean muchos métodos para reducir los efectos de la ondulación, entre ellos:

• Recorte del offset de producción: El offset nominal puede reducirse significativamente realizando un único recorte inicial, pero la deriva de offset y el ruido 1/f permanecen.
• Combinación de chopping y autocero: El amplificador primero se pone a cero automáticamente y luego se corta para modular el aumento de la densidad espectral de ruido (NSD) a una frecuencia más alta (como se ve en la figura anterior, que muestra el espectro de ruido resultante después de cortar y poner a cero automáticamente).
• Realimentación de autocorrección (ACFB): Se puede utilizar un bucle de realimentación local para detectar la ondulación modulada en la salida y anular los errores de baja frecuencia en su origen.

Fallos: Picos transitorios que se producen por desajustes en la inyección de carga de los interruptores de corte. La magnitud de estos fallos depende de muchos factores, como la impedancia de la fuente y la cantidad de desajuste de carga.

Los picos de fallo no solo causan artefactos en los armónicos pares de la frecuencia de corte, sino que también crean un desplazamiento de CC residual proporcional a la frecuencia de corte. La figura 6 (izquierda) ilustra el aspecto de estos picos dentro de los interruptores de corte en V1, y después de los interruptores de corte de salida en V2. Los artefactos de fallos adicionales en armónicos pares de la frecuencia de corte se deben al ancho de banda finito del amplificador (Figura 6, derecha).

Figura 6: voltaje de fallo (izquierda) por inyección de carga en V1 (dentro de los interruptores de corte) y V2 (fuera de los interruptores de corte); fallos (derecha) causados por el ancho de banda finito del amplificador en V1 y en V2. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Al igual que ocurre con la ondulación, los diseñadores de amplificadores han ideado y aplicado técnicas sutiles, pero eficaces para reducir el impacto de los fallos en los amplificadores de deriva cero.

• Recorte de inyección de carga: Se puede inyectar una carga recortable en las entradas de un amplificador operacional para compensar el desajuste de carga, lo que reduce la cantidad de corriente de entrada en las entradas del amplificador operacional.
• Corte multicanal: Esto no sólo reduce la magnitud del fallo, sino que también lo desplaza a una frecuencia más alta, lo que facilita el filtrado. Esta técnica produce fallos más frecuentes, pero de menor magnitud que el simple picado a una frecuencia más alta.

Una clara demostración del chopping multicanal se ve en la comparación entre un típico amplificador de deriva cero (A) y el ADA4522, que utiliza esta técnica para reducir significativamente el impacto de los fallos (Figura 7).

Figura 7: Gracias a sus menores interferencias, resultado de su técnica de corte modificada, el ADA4522 reduce los picos de voltaje hasta el umbral de ruido. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Del amplificador al rendimiento del sistema

La aplicación eficaz de los amplificadores de banda ancha con desviación cero requiere una cuidadosa consideración de las cuestiones a nivel de sistema, así como del amplificador. Comprender dónde se encuentran los artefactos de frecuencia restantes en el espectro de frecuencias y su impacto es fundamental.

La frecuencia de corte suele indicarse en la ficha técnica, aunque no siempre. También se puede determinar observando el gráfico del espectro de ruido. Por ejemplo, la hoja de datos del ADA4528 indica explícitamente una frecuencia de corte de 200 kHz. También puede verse en su gráfico de densidad de ruido (Figura 8).

Figura 8: La especificación de frecuencia de corte de 200 kHz indicada en la hoja de datos del ADA4528 se reitera en el gráfico de densidad de ruido del dispositivo. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

La hoja de datos del ADA4522 indica que la frecuencia de corte es de 4.8 megahercios (MHz) con un bucle de corrección de offset y ondulación que funciona a 800 kHz. El gráfico de densidad de ruido de la Figura 9 muestra estos picos de ruido. También hay un bache de ruido a 6 MHz debido a la reducción del margen de fase del bucle cuando está en ganancia unitaria, pero esto no es exclusivo de los amplificadores de deriva cero.

Figura 9: El gráfico de la densidad de ruido del ADA4522 revela no sólo la frecuencia de corte, sino también otros picos de ruido debidos a diversas fuentes. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Los diseñadores deben tener en cuenta que la frecuencia indicada en la hoja de datos es un número típico y puede variar de una pieza a otra. Por lo tanto, un diseño de sistema que requiera dos amplificadores cortados para múltiples canales de acondicionamiento de señales debe utilizar un amplificador doble. Esto se debe a que los dos amplificadores individuales podrían tener frecuencias de corte ligeramente diferentes, que a su vez pueden interactuar y causar IMD adicional.

Otras condiciones de diseño a nivel de sistema son:

• Adaptación de la impedancia de entrada-fuente: Los fallos de corriente transitorios interactúan con la impedancia de la fuente de entrada para causar errores de voltaje diferencial, lo que puede dar lugar a artefactos adicionales en múltiplos de la frecuencia de corte. Para minimizar esta fuente potencial de error, cada entrada de un amplificador picado debe diseñarse para ver la misma impedancia.
• IMD y artefactos de aliasing: La señal de entrada de un amplificador de corte puede mezclarse con la frecuencia de corte, f_CHOP, para crear IMD en sus productos de suma y diferencia, y sus armónicos: f_IN ± f_CHOP, f_IN ± 2f_CHOP, 2f_IN ± f_CHOP, etc. Estos productos IMD pueden aparecer en la banda de interés, especialmente a medida que f_IN se acerca a la frecuencia de corte. Sin embargo, la selección de un amplificador de deriva cero con una frecuencia de corte mucho mayor que el ancho de banda de la señal de entrada minimiza en gran medida este problema al garantizar que las probables "interferencias" a frecuencias cercanas a f_CHOP se filtren antes de esta etapa de amplificación.

Los artefactos de corte también pueden sufrir alias al muestrear la salida del amplificador con un convertidores de analógico a digital (ADC). Las características específicas de estos productos IMD dependen de las magnitudes de glitch y ondulación y pueden variar de una pieza a otra, por lo que a menudo es necesario incluir filtros antialiasing antes del ADC para reducir esta IMD.

Como es lógico, el filtrado es fundamental para aprovechar todo el potencial de los amplificadores de deriva cero, ya que es la forma más eficaz de tratar estos artefactos de alta frecuencia a nivel de sistema. Un filtro de paso bajo entre el amplificador de deriva cero y el ADC reduce los artefactos de picado y evita el aliasing.

Los amplificadores de deriva cero con frecuencias de corte más altas relajan los requisitos del LPF y permiten un mayor ancho de banda de la señal. No obstante, dependiendo de la cantidad de rechazo fuera de banda que necesiten el sistema y la cadena de señal, puede ser necesario un filtro activo de alto orden en lugar de uno simple.

ADI dispone de varios recursos para acelerar y simplificar el diseño de filtros, incluyendo un tutorial sobre filtros de realimentación múltiple (MT-220) y la herramienta online de diseño de filtros Wizard. Conocer las frecuencias a las que se producen estos artefactos de picado ayudará a crear el filtro necesario (Figura 10).

Figura 10: La tabla resume los tipos de ruido y su ubicación espectral para los amplificadores de deriva cero, y es una guía útil para evaluar qué tipo de filtrado se necesita y dónde. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Obtener ese último rendimiento

Uno de los problemas a los que se enfrentan los diseñadores cuando utilizan componentes superiores junto con un cuidadoso diseño del sistema es que las fuentes de error residual pasan a ser significativas. Fuentes de error que antes eran irrelevantes o invisibles ahora son factores limitantes para lograr un rendimiento de primer nivel (es análogo a cuando un río se seca en una sequía y se descubren por primera vez nuevas características del cauce). En otras palabras, las fuentes de error de tercer orden se convierten en el problema cuando se minimizan o eliminan las fuentes de error de primer y segundo orden.

Por ejemplo, para los amplificadores de deriva cero y sus canales de señal analógica, una fuente potencial de error de desviación es la tensión Seebeck de la placa del circuito. Este voltaje se produce en la unión de dos metales distintos y es función de la temperatura de la unión. Las uniones metálicas más comunes en una placa de circuito son la traza de soldadura a placa y el terminal de soldadura a componente.

Considere la sección transversal de un componente de montaje en superficie soldado a una placa de circuito impreso (placa de ci) (Figura 11). Una variación de temperatura en la placa, por ejemplo con TA1 diferente de TA2, provoca un desajuste en las tensiones Seebeck en las juntas estañosoldadas, lo que da lugar a errores de voltaje térmico que degradan el rendimiento de voltaje de compensación ultrabajo de los amplificadores de deriva cero.

Figura 11: A medida que los amplificadores avanzados de deriva cero reducen significativamente sus errores, las fuentes menos visibles, como las debidas a los gradientes térmicos y al voltaje Seebeck, se convierten en el reto y deben abordarse. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Para minimizar estos efectos del termopar, las resistencias deben orientarse de forma que las distintas fuentes de calor calienten ambos extremos por igual. Siempre que sea posible, las trayectorias de la señal de entrada deben contener números y tipos de componentes que coincidan con el número y tipo de uniones de termopar. Se pueden utilizar componentes ficticios, como resistencias de cero ohmios, para igualar la fuente de error termoeléctrica (con resistencias reales en la ruta de entrada opuesta). Si se colocan los componentes a juego muy cerca y se orientan de la misma manera, se conseguirá que los voltajes Seebeck sean iguales, anulando así los errores térmicos.

Además, puede ser necesario utilizar terminales de igual longitud para mantener el equilibrio de la conducción térmica. Las fuentes de calor de la placa deben mantenerse lo más alejadas posible de los circuitos de entrada del amplificador. Además, un plano de tierra puede utilizarse para ayudar a distribuir el calor por toda la placa para mantener una temperatura constante en toda la placa y reducir la captación de ruido EMI (interferencia electromagnética).

Conclusión:

Los CI de deriva cero actuales ofrecen un rendimiento muy estable y preciso, lo que los convierte en la solución al reto de los AFE en aplicaciones del mundo real que requieren precisión y consistencia a la hora de capturar señales de muy baja frecuencia. Resuelven el viejo problema de amplificar con precisión estas señales que están en CC o cerca de ella, así como muchas situaciones en las que también se requiere un ancho de banda más amplio. Al fusionar en un solo CI las dos técnicas disponibles para construir dichos amplificadores, a saber, la estabilización basada en chopper y la puesta a cero automática, los diseñadores se benefician de los atributos positivos de cada enfoque, lo que también minimiza en gran medida sus artefactos y deficiencias.