Atteindre une précision CC et une large bande passante avec des amplificateurs à zéro dérive

De nombreux signaux de capteurs du monde réel, notamment ceux liés à des phénomènes naturels, ne présentent que de très lentes et légères variations dans le temps. Pourtant, ce sont ces changements subtils qui sont importants pour développer les connaissances et la compréhension de la situation. Les nombreux exemples incluent les jauges de contrainte qui surveillent le mouvement des ponts ou des structures, les transducteurs sous-marins pour le flux de courant, les phénomènes liés à la température, les accéléromètres détectant les mouvements liés aux séismes et aux déplacements de la plaque de surface terrestre, les sorties de divers capteurs optiques et presque tous les signaux de biopotentiel.

La capture efficace et précise des signaux de très bas niveau a toujours été un défi. Ils sont facilement altérés par le bruit, de sorte que leur amplification est essentielle pour atteindre l'amplitude requise et maintenir le rapport signal/bruit (SNR). La basse fréquence de ces signaux, souvent de l'ordre de seulement quelques dizaines de hertz (Hz) et familièrement et universellement appelés « signaux CC », constitue un défi supplémentaire.

Tout décalage CC initial dans les paramètres de l'amplificateur, tels que le décalage de tension ou de courant de polarisation, et le bruit en 1/f (rose) inhérent, ainsi que les décalages de performances inévitables dus à la dérive induite par la température, aux variations du rail d'alimentation ou au vieillissement des composants, dégraderont les performances de la chaîne de signaux.

Traditionnellement, les amplificateurs dits « à zéro dérive » ne sont adaptés qu'aux applications à faible bande passante, car les techniques de réduction dynamique des erreurs génèrent des artefacts excessifs à des fréquences plus élevées. Toutefois, il s'agit là d'une restriction très limitative, car ces signaux de type CC peuvent présenter des rafales soudaines d'activité importante à plus large bande passante, de plus haute fréquence, comme lorsqu'une structure se fracture soudainement ou qu'un tremblement de terre se produit.

Pour cette raison, un amplificateur frontal qui présente une très faible dérive pour les signaux de type CC et de bonnes performances à haute fréquence est hautement souhaitable. Heureusement, les améliorations apportées à la topologie et à la conception ont permis de développer des circuits intégrés d'amplificateurs à zéro dérive pour un fonctionnement de CC aux fréquences plus élevées, éliminant essentiellement le décalage, la dérive des paramètres et le bruit en 1/f.

Cet article utilise des composants d'Analog Devices (ADI) pour illustrer les spécificités des amplificateurs à zéro dérive, leurs paramètres et leurs problèmes. Il examine ensuite comment les fonctions de l'amplificateur à zéro dérive sont réalisées, ainsi que les techniques permettant d'améliorer les performances de l'amplificateur et de la chaîne de signaux associée.

Traitement de la dérive non nulle

La dérive est un décalage dans les performances de base et elle est due principalement, mais pas entièrement, à divers effets thermiques dans le capteur ainsi que dans le circuit d'entrée analogique (AFE). La solution traditionnelle pour atteindre une dérive proche de zéro consiste à utiliser un amplificateur stabilisé par découpage qui module le signal basse fréquence (souvent appelé signal CC) à une fréquence plus élevée qui est plus facile à contrôler et à filtrer. La démodulation de l'étage de sortie qui s'ensuit par l'amplificateur rétablit le signal original, mais sous une forme amplifiée. Cette technique fonctionne et est utilisée avec succès depuis de nombreuses années.

Notez que l'expression « signal CC » est quelque peu erronée et que l'expression « proche de CC » serait plus précise. Si le signal était réellement CC et avait donc une valeur constante, il ne présenterait pas de variations porteuses d'informations. Au lieu de cela, ce sont les variations lentes qui sont intéressantes. Cependant, la terminologie courante est d'utiliser « signal CC ».

Une alternative à la stabilisation par découpage est l'approche « auto-zéro ». Cette technique utilise la correction dynamique pour obtenir des résultats similaires, mais avec des compromis de performances quelque peu différents. Les amplificateurs opérationnels à zéro dérive peuvent utiliser le découpage, l'auto-zéro ou une combinaison des deux techniques pour éliminer les sources d'erreur basse fréquence indésirables. Là encore, il y a un petit problème de terminologie. Le terme « zéro dérive » est légèrement trompeur : si ces amplificateurs ont une dérive extrêmement faible et très proche de zéro, ils ne sont pas parfaits, même s'ils s'en approchent de manière impressionnante. Chaque technique a ses avantages et ses inconvénients, et est utilisée dans différentes applications :

• Le découpage utilise la modulation et la démodulation du signal et présente un bruit de bande de base plus faible, mais produit également des artefacts de bruit à la fréquence de découpage et à ses harmoniques.
• Par ailleurs, l'auto-zéro utilise un circuit échantillonneur-bloqueur et convient aux applications à plus large bande, mais présente une tension de bruit plus élevée dans la bande en raison du « repli » du bruit vers la partie bande de base du spectre.
• Les circuits intégrés d'amplificateurs à zéro dérive avancés combinent les deux techniques pour offrir le meilleur des deux mondes. Ils gèrent la densité spectrale de bruit (NSD) pour offrir un bruit de bande de base plus faible tout en minimisant les erreurs haute fréquence telles que l'ondulation, les parasites transitoires et la distorsion d'intermodulation (IMD) (Figure 1).

Figure 1 : Chaque type d'amplificateur analogique a une densité spectrale de bruit typique unique. L'amplificateur à zéro dérive accepte les performances NSD des approches auto-zéro et stabilisées par découpage pour obtenir un scénario plus acceptable. (Source de l'image : Analog Devices)

Commencer avec le découpage

L'amplificateur stabilisé par découpage (également appelé amplificateur à découpage) utilise un circuit de découpage pour décomposer (découper) le signal d'entrée afin qu'il puisse être traité comme s'il s'agissait d'un signal CA modulé. Il démodule ensuite le signal pour le ramener à un signal CC à la sortie afin d'extraire le signal original.

De cette manière, des signaux CC extrêmement petits peuvent être amplifiés tandis que les effets des dérives indésirables sont considérablement minimisés jusqu'à un niveau proche de zéro. La modulation par découpage sépare le décalage et le bruit basse fréquence du contenu du signal en modulant les erreurs à des fréquences plus élevées, où elles sont beaucoup plus faciles à minimiser ou à éliminer par filtrage.

Les détails de l'opération de découpage sont faciles à comprendre dans le domaine temporel (Figure 2). Le signal d'entrée (a) est modulé par le signal de découpage (b) en une onde carrée. Ce signal est démodulé (c) à la sortie (d) pour reconvertir en CC. Les erreurs basse fréquence inhérentes (forme d'onde rouge) dans l'amplificateur sont (c) modulées à la sortie en une onde carrée, qui est ensuite (d) filtrée par un filtre passe-bas (LPF).

Figure 2 : Formes d'onde dans le domaine temporel du signal d'entrée V_IN (bleu) et des erreurs (rouge) à (a) l'entrée, (b) V1, (c) V2, et (d) V_OUT pour la technique de découpage de base. (Source de l'image : Analog Devices)

L'analyse dans le domaine fréquentiel est également instructive (Figure 3). Le signal d'entrée (a) est modulé à la fréquence de découpage (b), traité par l'étage de gain à f_CHOP, démodulé à la sortie pour revenir à CC (c), et enfin filtré par le filtre passe-bas (d). Les sources de décalage et de bruit (signal rouge) de l'amplificateur sont traitées à CC dans l'étage de gain, modulées en f_CHOP par les commutateurs à découpage de sortie (c), et enfin filtrées par le LPF (d). Comme la modulation à onde carrée est utilisée, la modulation se produit autour des multiples impairs de la fréquence de modulation.

Figure 3 : Le spectre dans le domaine fréquentiel du signal (bleu) et des erreurs (rouge) à (a) l'entrée, (b) V1, (c) V2, et (d) V_OUT est également une perspective importante. (Source de l'image : Analog Devices)

Bien sûr, aucune conception n'est parfaite. Les schémas dans le domaine temporel et dans le domaine fréquentiel montrent qu'une certaine erreur résiduelle subsiste en raison du bruit modulé et du décalage, car le filtre passe-bas n'est pas un « mur de briques » parfait.

Passage à l'auto-zéro

L'auto-zéro est une technique de correction dynamique qui fonctionne par échantillonnage et soustraction des sources d'erreur basse fréquence dans un amplificateur. Un amplificateur auto-zéro de base se compose d'un amplificateur avec son décalage et son bruit inévitables, de commutateurs pour reconfigurer l'entrée et la sortie, et d'un condensateur d'échantillonnage auto-zéro (Figure 4).

Figure 4 : La configuration d'un amplificateur auto-zéro de base montre les commutateurs utilisés pour reconfigurer le trajet du signal et ainsi capturer les erreurs inhérentes à l'amplificateur sur un condensateur. (Source de l'image : Analog Devices)

Pendant la phase d'auto-zéro, ϕ₁, l'entrée du circuit est court-circuitée à une tension commune et le condensateur auto-zéro échantillonne le bruit et la tension de décalage d'entrée. Il est important de noter que l'amplificateur est « indisponible » pour l'amplification du signal pendant cette phase car il est occupé avec une autre tâche. Ainsi, pour qu'un amplificateur auto-zéro fonctionne de manière continue, deux canaux identiques doivent être entrelacés dans ce que l'on appelle l'auto-zéro « ping-pong ».

Pendant la phase d'amplification, ϕ₂, l'entrée est reconnectée au trajet du signal, et l'amplificateur est à nouveau disponible pour amplifier le signal. Le bruit basse fréquence, le décalage et la dérive sont annulés par l'auto-zéro. L'erreur restante est la différence entre la valeur actuelle et l'échantillon précédent d'erreurs.

Comme les sources d'erreur basse fréquence ne changent pas beaucoup de ϕ₁ à ϕ₂, cette soustraction fonctionne bien. Cependant, le bruit haute fréquence est replié jusqu'à la bande de base et se traduit par une augmentation du bruit de fond blanc (Figure 5).

Figure 5 : La densité spectrale de puissance du bruit est façonnée par les actions de découpage et d'auto-zéro, comme illustré (de gauche à droite) avant l'auto-zéro, après l'auto-zéro, après le découpage, et après le découpage et l'auto-zéro. (Source de l'image : Analog Devices)

Les performances des amplificateurs à circuits intégrés auto-zéro avancés sont impressionnantes. Elles sont généralement supérieures d'un à deux ordres de grandeur à celles d'un « très bon » amplificateur opérationnel de précision dans les spécifications critiques de décalage, de dérive et de bruit. Ainsi, si leurs valeurs ne sont évidemment pas zéro, elles en sont très proches.

Par exemple, l'ADA4528 est un amplificateur à zéro dérive rail-à-rail (RTR) à un canal, qui présente une tension de décalage maximum de 2,5 microvolts (μV), une dérive de tension de décalage maximum de seulement 0,015 μV/°C, et une densité de tension de bruit de 5,6 nV/√Hz (à f = 1 kilohertz (kHz), gain de +100), et 97 nV_peak-peak (pour f = 0,1 Hz à 10 Hz, gain de +100). L'ADA4522, un autre amplificateur à zéro dérive rail-à-rail à un canal, offre une tension de décalage maximum de 5 μV, une dérive de tension de décalage maximum de 22 nV/°C, une densité de tension de bruit de 5,8 nV/√Hz (typique), et 117 nV_peak-peak de 0,1 Hz à 10 Hz (typique), ainsi qu'un courant de polarisation d'entrée de 50 picoampères (pA) (typique).

Les artefacts peuvent réduire la « perfection »

Bien que le découpage fonctionne bien pour éliminer le décalage, la dérive et le bruit en 1/f indésirables, il produit de manière inhérente des artefacts CA indésirables tels que des parasites transitoires et des ondulations de sortie. Cependant, grâce à un examen minutieux de la cause sous-jacente de chaque artefact, suivi de l'utilisation de topologies et d'approches de processus avancées ou sophistiquées, les produits à zéro dérive d'Analog Devices ont permis de réduire considérablement l'ampleur de ces artefacts et de les localiser à des fréquences plus élevées où ils sont plus faciles à filtrer au niveau du système. Ces artefacts incluent :

Ondulation : Une conséquence fondamentale de la technique de modulation à découpage qui déplace ces erreurs basse fréquence vers les harmoniques impaires de la fréquence de découpage. Les concepteurs d'amplificateurs utilisent de nombreuses méthodes pour réduire les effets de l'ondulation, notamment :

• Ajustement du décalage de production : Le décalage nominal peut être considérablement réduit en effectuant un ajustement initial unique, mais la dérive du décalage et le bruit en 1/f perdurent.
• Combinaison du découpage et de l'auto-zéro : L'amplificateur subit d'abord un auto-zéro, puis un découpage pour moduler vers le haut la densité spectrale du bruit accrue à une fréquence plus élevée (comme illustré à la figure précédente, qui montre le spectre de bruit résultant après le découpage et l'auto-zéro).
• Rétroaction d'autocorrection (ACFB) : Une boucle de rétroaction locale peut être utilisée pour détecter l'ondulation modulée à la sortie et annuler les erreurs basse fréquence à leur source.

Parasites transitoires : Pointes transitoires causées par la désadaptation d'injection de charge des commutateurs à découpage. L'amplitude de ces parasites transitoires dépend de nombreux facteurs, y compris de l'impédance source et de l'importance de la désadaptation de charge.

Les pics de parasites transitoires provoquent non seulement des artefacts aux harmoniques paires de la fréquence de découpage, mais créent également un décalage CC résiduel proportionnel à la fréquence de découpage. La Figure 6 (à gauche) illustre ce à quoi ressemblent ces pics dans les commutateurs à découpage à V1, et après les commutateurs à découpage de sortie à V2. Des artefacts de parasites transitoires supplémentaires aux harmoniques paires de la fréquence de découpage sont causés par la largeur de bande limitée de l'amplificateur (Figure 6, à droite).

Figure 6 : Tension parasite (à gauche) de l'injection de charge à V1 (dans les commutateurs à découpage) et V2 (hors des commutateurs à découpage) ; parasites transitoires (à droite) causés par la largeur de bande limitée de l'amplificateur à V1 et à V2. (Source de l'image : Analog Devices)

Tout comme pour l'ondulation, les concepteurs d'amplificateurs ont conçu et mis en œuvre des techniques subtiles mais efficaces pour réduire l'impact des parasites transitoires dans les amplificateurs à zéro dérive.

• Ajustement d'injection de charge : Une charge ajustable peut être injectée dans les entrées d'un amplificateur à découpage pour compenser la désadaptation de charge, ce qui réduit la quantité de courant d'entrée aux entrées de l'amplificateur opérationnel.
• Découpage multicanal : Cela permet non seulement de réduire l'amplitude des parasites transitoires, mais également de les déplacer vers une fréquence plus élevée, facilitant le filtrage. Cette technique donne lieu à des parasites transitoires plus fréquents, mais d'une amplitude moindre que le simple découpage à une fréquence plus élevée.

La comparaison entre un amplificateur à zéro dérive typique (A) et l'ADA4522, qui utilise cette technique pour significativement réduire l'impact des parasites transitoires, illustre clairement le découpage multicanal (Figure 7).

Figure 7 : En raison des parasites transitoires à plus faible bruit résultant de la technique de découpage modifiée, l'ADA4522 réduit les pointes de tension jusqu'au bruit de fond. (Source de l'image : Analog Devices)

De l'amplificateur seul aux performances du système

L'application efficace des amplificateurs large bande à zéro dérive nécessite une prise en compte attentive des problèmes au niveau système et de l'amplificateur. Comprendre où se trouvent les artefacts de fréquence restants dans le spectre de fréquences, ainsi que leur impact, est essentiel.

La fréquence de découpage est généralement, mais pas toujours, indiquée dans la fiche technique. Elle peut également être déterminée en regardant le tracé du spectre de bruit. Par exemple, la fiche technique de l'ADA4528 indique explicitement une fréquence de découpage de 200 kHz. Cela ressort également du graphique de densité de bruit (Figure 8).

Figure 8 : La spécification de fréquence de découpage de 200 kHz de la fiche technique ADA4528 est réitérée par le graphique de densité de bruit du dispositif. (Source de l'image : Analog Devices)

La fiche technique de l'ADA4522 indique que la fréquence de découpage est de 4,8 mégahertz (MHz) avec une boucle de correction de l'ondulation et du décalage fonctionnant à 800 kHz. Le graphique de densité de bruit de la Figure 9 montre ces crêtes de bruit. Il y a également un pic de bruit à 6 MHz en raison de la marge de phase réduite de la boucle en gain unité, mais ce phénomène n'est pas propre aux amplificateurs à zéro dérive.

Figure 9 : Le graphique de densité de bruit pour l'ADA4522 révèle non seulement la fréquence de découpage, mais également d'autres crêtes de bruit dues à diverses sources. (Source de l'image : Analog Devices)

Les concepteurs doivent garder à l'esprit que la fréquence indiquée dans la fiche technique est un nombre typique et peut varier d'un composant à l'autre. Par conséquent, une conception système exigeant deux amplificateurs à découpage pour plusieurs canaux de mise en forme des signaux doit utiliser un amplificateur double. En effet, les deux amplificateurs individuels peuvent avoir des fréquences de découpage légèrement différentes, qui peuvent à leur tour interagir et provoquer une distorsion d'intermodulation supplémentaire.

Les autres conditions de conception au niveau système incluent les suivantes :

• Adaptation de l'impédance de la source d'entrée : Les pointes de courant transitoire interagissent avec l'impédance de la source d'entrée pour provoquer des erreurs de tension différentielle, pouvant entraîner des artefacts supplémentaires à des multiples de la fréquence de découpage. Pour minimiser cette source potentielle d'erreur, chaque entrée d'un amplificateur à découpage doit être conçue pour présenter la même impédance.
• Artefacts de repliement et IMD : Le signal d'entrée d'un amplificateur à découpage peut se mélanger à la fréquence de découpage, f_CHOP, pour créer une distorsion d'intermodulation au niveau de leurs produits de somme et de différence, et de leurs harmoniques : f_IN ± f_CHOP, f_IN ± 2f_CHOP, 2f_IN ± f_CHOP, etc. Ces produits IMD peuvent apparaître dans la bande d'intérêt, en particulier lorsque f_IN se rapproche de la fréquence de découpage. Cependant, le choix d'un amplificateur à zéro dérive dont la fréquence de découpage est bien supérieure à la largeur de bande du signal d'entrée minimise considérablement ce problème en garantissant que les « perturbateurs » probables à des fréquences proches de f_CHOP sont filtrés avant cet étage d'amplification.

Les artefacts de découpage peuvent également faire l'objet d'un repliement lors de l'échantillonnage de la sortie de l'amplificateur avec un convertisseur analogique-numérique (CAN). Les spécificités de ces produits IMD dépendent des amplitudes de parasites transitoires et d'ondulation et peuvent varier d'un composant à l'autre. Il est donc souvent nécessaire d'inclure des filtres antirepliement avant le CAN pour réduire cette distorsion d'intermodulation.

Sans surprise, le filtrage est essentiel pour réaliser le plein potentiel des amplificateurs à zéro dérive, car c'est le moyen le plus efficace de traiter ces artefacts haute fréquence au niveau du système. Un filtre passe-bas entre l'amplificateur à zéro dérive et le CAN réduit les artefacts de découpage et évite le repliement.

Les amplificateurs à zéro dérive avec des fréquences de découpage plus élevées réduisent les exigences du filtre passe-bas et permettent une plus grande largeur de bande du signal. Néanmoins, selon l'importance de la réjection hors bande requise par le système et la chaîne de signaux, un filtre actif d'ordre supérieur peut être nécessaire plutôt qu'un filtre simple.

ADI dispose de diverses ressources pour accélérer et simplifier la conception de filtres, notamment un tutoriel sur les filtres à rétroaction multiple (MT-220) et l'outil de conception de filtres Wizard en ligne. Le fait de connaître les fréquences auxquelles ces artefacts de découpage se produisent aide à créer le filtre requis (Figure 10).

Figure 10 : Le tableau résume les types de bruit et leur emplacement spectral pour les amplificateurs à zéro dérive, et constitue un guide utile pour évaluer quel type de filtrage est requis et où. (Source de l'image : Analog Devices)

Derniers détails de performances

L'un des problèmes que rencontrent les concepteurs lorsqu'ils utilisent des composants supérieurs en conjonction avec une conception système soignée est que les sources d'erreurs résiduelles deviennent alors importantes. Des sources d'erreurs qui étaient auparavant insignifiantes ou invisibles sont désormais des facteurs limitants pour atteindre des performances de haut niveau (c'est un peu comme lorsqu'une rivière s'assèche pendant une période de sécheresse et que de nouvelles caractéristiques du lit de la rivière sont révélées pour la première fois). En d'autres termes, les sources d'erreurs de troisième ordre deviennent un problème lorsque les sources d'erreurs de premier et de deuxième ordre sont minimisées ou éliminées.

Par exemple, pour les amplificateurs à zéro dérive et leurs canaux de signaux analogiques, une source potentielle d'erreur de décalage est la tension de Seebeck sur la carte à circuit. Cette tension se produit à la jonction de deux métaux dissemblables et est fonction de la température de la jonction. Les jonctions métalliques les plus courantes sur une carte à circuit sont les traces soudure-carte et soudure-composant.

Considérons la section transversale d'un composant à montage en surface soudé sur une carte à circuit imprimé (Figure 11). Une variation de température sur la carte, par exemple lorsque TA1 est différent de TA2, provoque une désadaptation des tensions de Seebeck au niveau des joints de soudure, ce qui entraîne des erreurs de tension thermique qui dégradent les performances de tension de décalage ultrabasse des amplificateurs à zéro dérive.

Figure 11 : Alors que les amplificateurs à zéro dérive avancés réduisent considérablement leurs erreurs, des sources moins visibles telles que celles dues aux gradients thermiques et à la tension de Seebeck deviennent un défi et doivent être traitées. (Source de l'image : Analog Devices)

Pour minimiser ces effets de thermocouple, les résistances doivent être orientées de manière à ce que les différentes sources de chaleur chauffent les deux extrémités de manière égale. Dans la mesure du possible, les trajets des signaux d'entrée doivent contenir des nombres et des types de composants adaptés correspondant au nombre et au type de jonctions de thermocouples. Des composants factices, tels que des résistances zéro ohm, peuvent être utilisés pour correspondre à la source d'erreur thermoélectrique (avec des résistances réelles dans le trajet d'entrée opposé). En plaçant les composants correspondants à proximité les uns des autres et en les orientant de la même manière, on obtient des tensions de Seebeck égales, ce qui annule les erreurs thermiques.

De plus, il peut être nécessaire d'utiliser des fils de même longueur pour maintenir l'équilibre de la conduction thermique. Les sources de chaleur sur la carte doivent être maintenues aussi loin que possible des circuits d'entrée de l'amplificateur. En outre, un plan de masse peut être utilisé pour aider à distribuer la chaleur sur l'ensemble de la carte afin de maintenir une température constante sur toute la carte et de réduire le bruit EMI.

Conclusion

Les circuits intégrés à zéro dérive actuels offrent des performances hautement stables et précises, et constituent la solution au défi des circuits AFE dans les applications du monde réel exigeant précision et régularité lors de la capture de signaux à très basse fréquence. Ils résolvent le problème de longue date de l'amplification précise de ces signaux qui sont à CC ou proches CC, ainsi que de nombreuses situations où une plus grande largeur de bande est également requise. En fusionnant les deux techniques disponibles pour construire de tels amplificateurs dans un seul circuit intégré — à savoir stabilisation par découpage et auto-zéro — les concepteurs bénéficient des attributs positifs de chaque approche, ce qui minimise également considérablement leurs artefacts et leurs défauts.