מגברי טרידה אפס: קלים עתה לשימוש במעגלי דיוק גבוה

מגבר טרידה אפס, כפי שהשם רומז, הוא מגבר עם טרידת מתח אופסט קרובה מאד לאפס. הוא משתמש באפס אוטומטי או בטכנולוגיית קיטוע, או בשילוב של שתי השיטות, על מנת לתקן תיקון עצמי באופן רציף שגיאות DC לאורך זמן וטמפרטורה. דבר זה מאפשר למגבר להשיג אופסט ברמת מיקרו-וולט וטרידת אופסט נמוכה ביותר. לכן, הוא מתאים במיוחד לשימוש במעגלי התניית אות עם הגברה גבוהה וביצוע מדויק. למשל, חיישן (כגון טמפרטורה, לחץ או חיישן תא עומס) מייצר, בדרך כלל, מתח יציאה נמוך, ולכן, הוא דורש מגבר להגברת היציאה שלו מבלי להכניס שגיאות נוספות. מגברי טרידה אפס המתוכננים למתח אופסט וטרידה אולטרה-נמוכים, דחייה גבוהה במצבים נפוצים, דחייה גבוהה בהספק גבוה, ורעש מופחת 1/f, הנם בחירה אידיאלית להשגת רמת רזולוציה גבוהה ביישומי מערכת טובעניים, כגון חישה, עם מחזור חיי מוצר ארוך.

ארכיטקטורה בסיסית של מגבר טרידה אפס

איור 1 מציג תרשים מעגל של מגבר קוטע בתצורת הגברת יחידה. המסלול של הגברת DC מורכב מרשת מפסק קיטוע כניסה (CHOPIN), מגבר התמרה ראשון (Gm1), מפסק קיטוע יציאה (CHOPOUT), מגבר התמרה שני (2Gm), וקבלי פיצוי תדר (1C ו-2C).  ו-‘CHOP מבוקרים על ידי מחולל שעון ופועלים לתיקון מתח האופסט DC של המגבר (Vos).

איור 2 מציג את תרשים זימון הקיטוע הקשור לכך ואת מתח היציאה החזוי (VOUT). כאשר אות השעון CHOP גבוה (A phase), היציאות והכניסות הדיפרנציאליות של Gm1 מחוברות למסלול האות ללא היפוך. דבר זה גורם למתח יציאה חיובי VOUT, עקב נוכחותו של Vos. כאשר אות השעון ‘CHOP גבוה (B phase), הכניסה והיציאה של Gm1 מחוברות למסלול האות עם היפוך, דבר הגורם למתח יציאה שלילי עקב Vos. המתחים החיוביים והשלילייםמ-Gm1 גורמים למתח יציאה השווה ל-±Vos. התפיסה הזו של קיטוע בתחום הזמן, דומה לאפנון בתחום התדר. במילים אחרות, מתח האופסט של Gm1 מאופנן כלפי מעלה על ידי CHOPOUT לתדר הקיטוע. מצד שני, אות הכניסה מקוטע פעמיים על ידי CHOPIN ו-CHOPOUT. דבר זה שווה ערך לאיפנון אות הכניסה כלפי מעלה ואז הוא מאופנן כלפי מטה לתדר המקורי שלו. מכאן שאות הכניסה עובר יציאה ללא היפוך.

מתחי היציאה החיוביים והשליליים (±Vos) מ-Gm1 מופיעים כרעשיםב-VOUT (איור 2). בנוסף לכך, השעונים CHOP ו-‘CHOP מחוברים לפיני הכניסה הדיפרנציאלית באמצעות קבלים פרזיטיים הקשורים למפסקים. כאשר השעון משנה מצב, מוזרקים מטענים לתוך הפינים של הכניסה הדיפרנציאלית. הזרקות מטענים אלו, מתורגמות לתקלות מתח יציאה דרך התנגדויות המקור הסופיות בכניסה. הגודל וצורת התקלות, תלויים בכמות ובהתאמה של התנגדויות המקור בכניסה ובהזרקות המטענים בפיני הכניסה הדיפרנציאליים. הרעשים ותקלות היציאה הללו מחדירים גורמי מיתוג המופיעים כגידול במנעד הרעש בתדר הקיטוע ובתדרי שלמים מרובים. כמו כן, הגודל ותדרי גורמי המיתוג הללו, שונים עבור כל מגבר טרידה אפס ומיחידה ליחידה. במאמר זה, המושגים קיטוע ותדר מיתוג, ניתנים להחלפה.

גורמי מיתוג כפי שהם מוצגים בדפי נתונים באופן מסורתי, למגברי טרידה אפס יש רעשי פס ותדרי מיתוג נמוכים די גדולים, המשתרעים ממספר קילוהרץ לכמה עשרות קילוהרץ. דבר זה מגביל את השימוש בהם לDC וליישומים אשר בהם התדירות נמצאת מתחת ל-100 הרץ, כך שתדר המיתוג נותר מחוץ לפס האות הנדון. עבור יישומים הדורשים דיוק גבוה וטרידה נמוכה בפס גבוה יותר, חשוב להשתמש במגבר טרידה אפס עם תדר מיתוג גבוה יותר. למעשה, מתייחסים לעתים אל תדר המיתוג כאל המספר המייצג עבור מגברי טרידה אפס. בארכיטקטורות תכנון מתקדמות, מגברי טרידה אפס חדשים יותר מתוכננים עם גורמי מיתוג קטנים יותר בתדרים גבוהים הרבה יותר. למשל, בנוסף לקיטוע מתח האופסט ב-4.8 מגההרץ, ההתקן ADA4522-2 – מגבר טרידה אפס כפול בעל מתח גבוה, משמש במעגל לולאה בעל פטנט לתיקון אופסט ורעש לצמצום גורמי המיתוג. לולאת התיקון מופעלת ב-800 קילוהרץ והיא פועלת לביטול מתח האופסט ±V0S (כמוצג באיור 2). הקטנת ±V0S ל-1% מהערך המקורי שלו, גורמת לשיפור של 40 דציבל בגורם המיתוג. דבר זה מצמצם את מאמץ המתכנן להשגת הדיוק הרצוי ברמת המערכת.

הדרך הקלה ביותר לגלות את גורם המיתוג, היא באמצעות הענקת תשומת לב למנעד צפיפות רעש מתח המגבר. איור 3 מראה את עקומת צפיפות רעש המתח בכניסת ההתקן ADA4522-2. שים לב כי ערוץ ב’ מגלה גידול במנעד הרעש בתדר המיתוג שלו שערכו הוא 800 קילוהרץ. גידול זה במנעד הרעש, כמתואר בחלק הקודם של המאמר, הנו תוצר הלוואי של חוסר ההתאמה בהזרקת המטען. מאחר וחוסר ההתאמה תלוי חלק בחלק וערוץ בערוץ, גודל פרצי הרעש שונה ולא כל היחידות מגלות את פרץ הרעש. לדוגמה, ערוץ א’ של אותה יחידה אינו מגלה כל פרץ רעש בתדר המיתוג 800 קילוהרץ. תדרי המיתוג יכולים להשתנות עד לסדר גודל של 10 עד 20 אחוזים מיחידה ליחידה עקב השינוי בתדר מתנד השעון המורכב על השבב.

השוואת רעשים בין מגברי טרידה אפס שונים

איור 4 מראה את צפיפות רעש המתח המיוחס לכניסה של מגברי טרידה אפס מתקדמים ביותר בעלי מחת גבוה. שים לב כי כל שלושת המגברים בעלי טרידה אפס אשר נבדקו, הראו סוגים שונים של גורמי מיתוג. אחדים מגורמי המיתוג חוזרים על עצמם גם בתדרים השלמים המרובים שלו. גורמי מיתוג אלה עשויים להיות משמעותיים ועלולים להכניס שגיאות בתכנון מעגלים. מכאן שחשוב להבין את השפעותיהם על המעגלים ולמצוא דרכים למתן השפעה זו. אם למגבר יש תדירות לולאה סגורה גבוהה מתדר המיתוג, גידול זה במנעד הרעש יוכלל לאורך כל הפס וישתקף ביציאה. לא רק זאת, אלא שרעש מתח הכניסה הזה, יוגבר במידה נוספת על ידי רעש המגבר. למשל, הנח כי המגבר מקונפג להגברה של 100. במקרה זה, צפיפות רעש המתח המיוחס ליציאה יגדל אף הוא ב-100.

סך השורש הריבועי של הרעש המוכלל ביציאת מגבר, תלוי בפס המגבר. רעש מתח היציאה מתפתח דרך הפס הקיים, לכן, ככל שההגברה או הפס גבוהים יותר, כך משרעת הרעש ביציאת המגבר גבוהה יותר. איור 5 מראה עקומה המציגה את מתח הרעש המוכלל ביציאת כנגד תדירות. זו עקומה בעלת עזר רב להבנת הרעש הכולל המוכלל ביחס לתדירות. למשל, אם פס המגבר מוגבל באמצעות סינון ל-100 קילוהרץ, ניתן לקרוא את רעש היציאה הכולל הנגרם עקב הרעש הפנימי של המגבר מתוך העקומה, והוא יהיה כמפורט בטבלה 1.

באמצעות שימוש במכפיל משותף (הקרוי גורם פסגה) להמרת השורש הריבועי של המתח בין שיא לשיא, בעמודה השלישית של טבלה 1 מוצגת הערכה של רעש בין שיא לשיא. במערכת בעלת מתח של 5 וולט, ההתקן ADA4522-2 יספק רזולוציה של 18.6 ביטים בין שיא לשיא. תמיד רצוי שיהיה רעש יציאה כולל נמוך יותר, כיוון שהוא מגדיל את יחס האות לרעש ומאפשר רזולוציה גבוהה יותר במערכת כולה. דבר מעניין אחר אליו יש לשים לב בקשר לאיור 5, הוא הגידול ברעש המוכלל בצורת פונקציה עולה בשלבים בתדרי פרצי הרעש.

גורמי מיתוג בתחום הזמן

לעתים קרובות, ניתן לראות בבירור את גורמי המיתוג במנעד צפיפות רעש המתח בתחום התדירות. על מנת להבין את התנהגות גורם המיתוג ביחס לזמן, אפשר לקנפג את המגבר בתצורת בּאפר עם הפין הלא ממיר מוארק ולפקח על היציאה באמצעות מתנד. איור 6 מציג את היציאה האופיינית של שני מגברי טרידה אפס. שים לב כי מגבר א’ מראה פרצי מתח יציאה בגדלים שונים. פרצי המתח חוזרים על עצמם כל 0.66 מיקרו-שנייה. תופעה זו תואמת לפרצי הרעש הנראים בתדר של 1.51 מגההרץ באיור 4. מצד שני, ההתקן ADA4522-2 אינו מראה כל גורם מיתוג בתחום הזמן (העקומה הכחולה). במילים אחרות, פרצי הרעש הקיימים מצויים מתחת לרצפת הרעש של מערכת המדידה ולא ניתן לגלותם. דבר זה מאפשר למתכננים להשתמש ב-ADA4522-2 ביישומים כגון הפעלת ממיר אנלוג לדיגיטל (Analog to Digital Converter – ADC) מתוך ביטחון כי פרצי הרעש לא יהוו בעיה.

על מנת לצמצם את השפעת גורמי המיתוג, קיימות מספר שיטות שניתן להשתמש בהן. שיטות אלו מובילות בסופו של דבר להגבלת פס המגבר לערך נמוך מזה של תדר המיתוג. שימוש במסנן, יעיל לדיכוי פרצי הרעש. התכנון הפשוט ביותר הוא להרכיב רשת של נגדים וקבלים ביציאת המגבר על מנת ליצור מסנן נמוכים (איור 7 א’). איור 8 מציג את צפיפות רעש המתח של מגבר טרידה אפס בעל בתר-מסנן המתוכנן לדקאדה אחת או שתיים מתחת לתדר המיתוג. פרץ הרעש ב-800 קילוהרץ, מוקטן מ-36 ננו-וולט חלקי השורש הריבועי של התדירות (ללא בתר-מסנן) ל-4.1 ננו-וולט חלקי השורש הריבועי של התדירות (עם בתר-מסנן ב-80 קילוהרץ), ערך המצוי מתחת לרמת הרעש של פס התדר הנמוך של המגבר. עם בתר-מסנן הממוקם שתי דקאדות מתחת לתדר המיתוג (עם בתר-מסנן ב-80 קילוהרץ), פרץ הרעש אינו ניתן לאבחנה וההתקן ADA4522-2 נראה כמו כל מגבר מסורתי אחר.

יישומים מסוימים עלולים לא לסבול רשת נגדים-קבלים ביציאת המגבר. זרם היציאה של המגבר העובר דרך נגד המסנן יוצר אופסט מתח המכניס שגיאת יציאה. במקרה זה, אפשר לנקוט בסינון פרצי הרעש באמצעות מיקום קבל משוב לאורך לולאת המשוב (איור 7 ב’). איור 9 מציג את צפיפות רעש מתח היציאה של מגבר מקונפג להגברה של 10 ללא סינון כנגד מצב של מיקום בתר-מסנן או מסנן משוב מתחת לתדר המיתוג. תצורת הבתר-מסנן יעילה יותר מזו של קבל המשוב.

שימוש במגברי טרידה אפס בתצורת הגברה גבוהה, עוזרהרבה מתכננים השתמשו במגברי טרידה אפס, אך הם לא גילו גורמי מיתוג כלשהם במערכות שלהם. תצורת המגבר יכולה להיות סיבה אחת לכך. מגברי טרידה אפס מתאפיינים בטרידה ואופסט נמוכים, והם נמצאים בשימוש תדיר בהתניית האות באות חיישן במגבר רמה נמוכה בתצורת הגברה גבוהה של 100 ל-1000, למשל. לשימוש במגבר בהגברה גבוהה, יש אותה השפעה כמו להרכבת מסנן נמוכים בתוך מגבר. עם הגידול בהגברה, הפס יורד. איור 10 מציג כיצד תצורת הגברה גבוהה ממתנת את השפעת המיתוג. עם הגברת לולאה סגורה של 100, בקושי ניתן לראות את גורם המיתוג על גבי עקומת הרעש.

יתרונות ההתקן של ADA4522-2 כמגבר טרידה אפס

המגבר בעל טרידה אפס החדיש ביותר, הפועל כבר, של Analog Devices, הוא ההתקן ADA4522-2, והוא משתמש בטיפולוגיית מעגל חדשנית ובעלת פטנט להשגת תדירות מיתוג גבוהה ולצמצום גורמי המיתוג בהשוואה לקודמיו. עם פס בעל הגברת יחידה הנמצא בתדירות של 3 מגההרץ ותדירות מיתוג הממוקמת ב-800 קילוהרץ וב-4.8 מגההרץ, תצורת הגברה של 40 מספיקה לסינון גורמי המיתוג ומונעת את הצורך בסינון נמוכים חיצוני. טרידת המתח המקסימלית שלו של 22 ננו-וולט/°C עם האופסט הנמוך, הרעש הנמוך המצוי ב-5.8 ננו-וולט חלקי שורש ריבועי של התדר, זרם ממתח כניסה נמוך של 150 פיקואמפר מקסימום, דחייה גבוהה במצב הרגיל, ודחיית ספק, הופכים אותו לבחירה האידיאלית ביישומים מדויקים, כגון שקילה, חישת זרם, קצה קדמי של חישת טמפרטורה, תא עומס ומתמרי גשר, ועוד יישומי טרידה קריטיים נוספים.

מסקנות

מגברי טרידה אפס מציגים טרידה ומתח אופסט נמוכים מאד והם מהווים בחירה אידיאלית ביישומים הדורשים הגברה מדויקת של אותות נמוכים. הנה מספר תובנות בעת השימוש בהם. לכל מגברי טרידה אפס יש גורמי מיתוג כלשהם והם ניתנים לגילוי בדרך כלל בתוך עקומת צפיפות רעש המתח. גודל גורם המיתוג משתנה מיחידה ליחידה. תדר המיתוג יכול להשתנות בסדר גודל של עד 20% מיחידה ליחידה. גורמי המיתוג ניתנים לגילוי בתחום התדירות והזמן. מגברי טרידה אפס משמשים לעתים בתצורת הגברה גבוהה, היכן שהפס מוקטן, וכך, פעמים רבות, גורמי המיתוג אינם מהווים בעיה. חשוב למתן את גורמי המיתוג על מנת להקטין את גודל שגיאת היציאה. הָרכֵב מסנן נמוכים (בתר-מסנן בעל מערכת של נגדים וקבלים או קבל משוב) לקידום הפס של המגבר לפני תדר המיתוג על מנת לדכא את גורמי המיתוג. תדר מיתוג גבוה מפשט את דרישות המסנן עבור פס רחב, הוא שימושי, והוא חופשי מגורמי מיתוג.

הכותבים מבקשים להודות ל-Emman Adradosעל תרומתו למאמר זה.