Zero-crossover усилители и почему они необходимы для точных измерений

Усилители zero-crossover – это уникальная топология, которая исключает ошибку вносимую входным каскадом которую имеют обычные rail-to-rail усилители. Усилители Texas Instruments с этой топологией имеют высокую линейность и самые минимальные искажения для очень точного измерения напряжений, особенно с низкими амплитудами.

 

Традиционные rail-to-rail усилители

Традиционная rail-to-rail CMOS структура имеет две дифференциальные пары, показанные на рисунке 1. Первая PMOS пара (выделена синим) и вторая NMOS пара (выделена красным). PMOS пара может работать с входным синфазным напряжением от VSS до VDD-1.8В. Тогда как NMOS пара работает с входным напряжением от VDD до VDD-1.8В.

Рисунок 1 – схема входного каскада rail-to-rail усилителя

 

Существует небольшой регион входных напряжений когда N и P пара открыты одновременно (обычно это напряжение от VDD-0,9В до VDD-1,1В). Это показано на рисунке 2.

Рисунок 2 – Кривые токов и напряжений транзисторов

 

Когда это происходит, постоянное напряжение смещения может может меняться. Это известно как входное искажение типа ступенька (input crossover distortion).

Рисунок 3 показывает как внезапно сдвигается напряжение смещения когда обе пары открыты (черным цветом) и как ведет себя усилитель типа zero-crossover без этих искажений (красным).

Рисунок 3 – поведение традиционного усилителя

 

 

Как работает zero-crossover усилитель

Такой тип усилителей имеет внутри схему накачки заряда для обеспечения линейного режима работы до напряжения питания с помощью одной (либо P либо N) пары.

Примение только одной пары обеспечивает честный rail-to-rail вход без искажений во всем диапазоне синфазных напряжений, так как нет условия когда обе пары открыты. Усилитель как OPA388 имеет внутри схему накачки заряда которая питает входной каскад напряжением примерно на 1,8В выше, чем напряжение питания VDD. На рисунке 4 представлена схема входного каскада.

Рисунок 4 – входной каскад zero-crossover усилителя

 

Давайте теперь сравним работу двух типов усилителей (обычного rail-to-rail с двумя каскадами и zero-crossover OPA388) на одном графике во всем диапазоне входных синфаных напряжений на рисунке 5. Сравните, как контрастно выглядят характеристики и обратите внимание как меняется напряжение смещения обычного усилителя.

Рисунок 5 – сравнение двух типов усилителей

 

А теперь сравним два усилителя (стандартный rail-to-rail и zero-crossover) в идентичной схеме включения с единичным усилением (буфер). На оба подадим чистый синусоидальный сигнал амплитудой 2В (4Вpp). Выходной сигнал был сохранен, а затем вычислены гармоники. Рисунок 6 наглядно показывает спектр для OPA388 (красным) и типового CMOS rail-to-rail усилителя (черным).

Рисунок 6 – спектр выходных сигналов

 

Вывод: в традиционных rail-to-rail усилителях из-за особенностей работы дифференциальных пар существует так называемый мертвый регион, который приводит к сдвигу напряжения смещения и вызывает искажения входного сигнала которые в свою очередь проходя далее в усилителе многократно усиливаются и приводят к искажениям выходного сигнала и возникновению больших гармонических составляющих в спектре выходного сигнала.

Усилители zero-crossover не имеют этих недостатков и рекомендуются для применения в схемах с высокими требованиями к точности или чистоте спектра выходного сигнала.

 

Дополнение: таблица zero-crossover усилителей

OPA388

Zero-drift, Vos(max): 5μV, dVos/dT(max): 0.05μV/°C,

CMRR: 138dB, GBW: 10MHz, Noise: 7nV/√Hz

OPA320

Vos(max): 150μV, CMRR: 114dB, IB(max): 0.9pA,

1.8V<Vs<5.5V, GBW: 20MHz, Noise: 7nV/√Hz

OPA2325

Vos(max): 150μV, CMRR: 114dB, IB(max): 10pA,

GBW: 10MHz, Noise: 9nV/√Hz

OPA365

Vos(max): 200μV, CMRR: 120dB, GBW: 50MHz,

Noise: 4.5nV/√Hz, Slew rate: 25V/μs, 1.8V<VS<5.5V

OPA322

Vos(max): 2mV, CMRR: 100dB, GBW: 20MHz,

Noise: 8.5nV/√Hz, Slew Rate: 10V/μs, 1.8V<VS<5.5V

OPA363/4

Vos(max): 2.5mV, CMRR: 90dB, GBW: 7MHz,

Noise: 17nV/√Hz, IB(typ): 1pA, 1.8V<VS<5.5V

OPA369

Vos(max): 750μV, CMRR: 114dB, GBW: 12kHz,

IB(typ): 10pA, 1.8V<VS<5.5V

LMV951

Vos(max): 2.8mV, CMRR: 85dB, GBW: 2.8MHz,

Noise: 25nV/√Hz, Slew Rate: 1.4V/μs, 0.9V<VS<3V