Egyenáramú pontosság és nagy sávszélesség egyidejű elérése nulla elvándorlású erősítőkkel

A világon sokféle olyan érzékelők segítségével mért jel létezik, amely az időben csak nagyon lassan és csekély mértékben változik. Különösen a természeti jelenségekhez kapcsolódó jelek ilyenek. Az adott jelenség vagy szerkezet jobb megismerése és a helyzet megértése szempontjából azonban mégis ezek a finom változások a lényegesek. Az ilyen mérőeszközök közé tartoznak többek között a hidak és egyéb szerkezetek mozgását figyelő nyúlásmérők, a víz alatti áramlásokat mérő jelátalakítók, a hőmérséklettel kapcsolatos jelenségeket mérő jeladók, a földrengésekkel és a földkéreglemezek elmozdulásaival kapcsolatos mozgásokat érzékelő gyorsulásmérők, a különböző optikai érzékelők kimenőjelei és szinte valamennyi bioelektromos jel.

A nagyon kis szintű jelek hatékony és pontos rögzítése mindig is komoly feladatot jelentett. Ezeket a kis szintű jeleket a zaj könnyen befolyásolja, ezért kritikus fontosságú az erősítésük a szükséges amplitúdó eléréséhez és a jel–zaj viszony (SNR, signal-to-noise ratio) fenntartásához. Ezeknek a jeleknek kicsi a frekvenciájuk, gyakran egy számjegyű vagy néhányszor tíz hertz (Hz), és a köznyelvben és általánosan „egyenáramú jeleknek” nevezik őket. Ez az alacsony frekvencia még komolyabb feladat elé állítja a tervezőket.

Az erősítő paramétereinek kezdeti egyenáramú eltolódása, például az előfeszítő áram vagy húzatóáram, illetve a feszültség eltolódása, valamint az elkerülhetetlenül velejáró 1/f (rózsaszín) zaj, továbbá a hőmérséklet okozta elvándorlás, a tápsín feszültségingadozása és az alkatrészek öregedése miatt elkerülhetetlen későbbi teljesítményeltolódások mind rontják a jellánc teljesítményét.

Az úgynevezett „nulla elvándorlású” erősítőket hagyományosan csak kisebb sávszélességű eszközökben lehetett megvalósítani, ugyanis a dinamikus hibacsökkentő technikák nagyobb frekvenciákon túl nagy mértékű jelhibákat produkálnak. Ez azonban nagyon erős korlátozás, mivel ezekben az egyenáramszerű jelekben hirtelen kirobbanó fontos nagyobb frekvenciájú és sávszélességű elmozdulások vagy egyéb tevékenységek jelenhetnek meg, például amikor egy szerkezet hirtelen eltörik, vagy földrengés következik be.

Ezért nagyon kívánatos egy olyan bemenőoldali erősítő, amely az egyenáramszerű jelek esetében nagyon kis elvándorlást mutat, és jó nagyobb frekvenciás teljesítményt nyújt. Szerencsére az áramkörök és a tervezési módszerek fejlődése lehetővé tette olyan nulla elvándorlású erősítő IC-k kifejlesztését, amelyek az egyenáramtól a magasabb frekvenciákig használhatók. Ezek lényegében kiküszöbölik az eltolódást, a paraméterelvándorlást és az 1/f zajt.

Ez a cikk az Analog Devices (ADI) alkatrészeinek felhasználásával mutatja be a nulla elvándorlású erősítők sajátosságait, paramétereit és a velük kapcsolatos problémákat. Ezután megvizsgálja, hogyan valósulnak meg a nulla elvándorlású erősítő funkciói, valamint ismerteti az erősítő és a kapcsolódó jellánc teljesítményének javítására szolgáló technikákat.

A nem nulla elvándorlás kezelése

Az elvándorlás a nullapont elmozdulása, amely elsősorban, de nem kizárólag az érzékelőben és az analóg bemeneti (AFE, analog front-end) áramkörben fellépő különböző hőhatásoknak tudható be. A közel nulla elvándorlás elérésének hagyományos megoldása az astabil multivibrátorral stabilizált erősítő használata, amely a kisfrekvenciás jelet (gyakran egyenáramú jelnek vagy DC jelnek nevezik) magasabb frekvenciára modulálja, amely könnyebben szabályozható és szűrhető. Az erősítő későbbi, a kimeneti fokozatban végzett demodulációja visszaállítja az eredeti jelet, de felerősített formában. Ez a technika működik, és már évek óta sikeresen alkalmazzák.

Itt jegyeznénk meg, hogy az „egyenáramú jel” megnevezés némileg félrevezető és helytelen, a „közel egyenáramú jel” kifejezés pontosabb lenne. Ha a jel valóban egyenáramú lenne, és így állandó lenne az értéke, akkor nem lenne információkat hordozó változása – valójában azonban a jel lassú változásai az érdekesek. Az elterjedt szóhasználat mégis az „egyenáramú jel” kifejezés használata.

Az astabil multivibrátoron alapú stabilizálás alternatívája az „automatikus nullázó” módszer. Ez a megoldás dinamikus helyesbítést használ a hasonló eredmények elérésére, de némileg eltérő teljesítménybeli kompromisszumokkal. A nullázó műveleti erősítők a nemkívánatos kis frekvenciájú hibaforrások eltávolítására használhatnak multivibrátoros jelszaggatást, automatikus nullázást vagy a két technika kombinációját. Itt is van egy kisebb szóhasználatbeli gond: a „nulla elvándorlás” kifejezés kissé félrevezető, mert bár ezeknek az erősítőknek rendkívül kicsi, a nullához nagyon közeli az elvándorlásuk, de azért nem tökéletesek – még akkor sem, ha lenyűgözően közel vannak hozzá. Mindegyik megoldásnak megvan a maga előnye és hátránya, és különböző területeken használják őket:

• A multivibrátoros stabilizálás jelmodulációt és -demodulációt használ, és kisebb alapsávú zajjal jár, de a működési frekvencián és annak felharmonikusainál zajt előidéző jelhibák is keletkeznek.
• Alternatív megoldásként az automatikus nullázás egy mintavételező- és tartóáramkört használ, és szélesebb sávot igénylő felhasználási területekre alkalmas, de a spektrum alapsávi részébe történő „visszahajlás” miatt nagyobb sávon belüli feszültségzajjal jár.
• A korszerű nulla elvándorlású erősítő IC-k ötvözik a két technikát, hogy mindkét eljárás legjobbját kínálják. Kezelik a spektrális zajszintet (NSD, noise spectral density), hogy kisebb alapsávú zajt érjenek el, miközben minimálisra csökkentik a nagyfrekvenciás hibákat, például a búgófeszültséget, a feszültségtüskéket és az intermodulációs torzítást (IMD, intermodulation distortion) (1. ábra).

1. ábra: Az analóg erősítők minden típusának egyedi, jellegzetes spektrális zajszintje van. A nulla elvándorlású erősítő kihasználja az automatikus nullázás és a multivibrátorral stabilizált megoldás spektrális zajszintjét is, hogy elfogadhatóbb megoldást nyújtson (ábra: Analog Devices)

Kezdje a multivibrátorral

A multivibrátorral stabilizált (más néven multivibrátoros vagy a szakmai szlengben – az astabil multivibrátor angol nevéből eredően – chopperes) erősítő egy multivibrátor-áramkört használ a bemenőjel megszaggatására (vibráltatás), hogy úgy lehessen azt feldolgozni, mintha modulált váltakozó áramú jel lenne. Később a kimeneten demodulálja vissza a jelet egyenáramú jellé, hogy kivonja belőle az eredeti jelet.

Ily módon rendkívül kis egyenáramú jeleket is fel lehet erősíteni, miközben a nem kívánt elvándorlások hatása nagymértékben, közel nullára csökken. A multivibrátoros moduláció úgy választja el az eltolási és a kisfrekvenciás zajt a hasznos jeltartalomtól, hogy a hibákat nagyobb frekvenciákra modulálja, ahol azok sokkal könnyebben csökkenthetők minimálisra, vagy távolíthatók el szűréssel.

A multivibrátoros jelszaggatási művelet részletei könnyen megérthetőek az időtartományban (2. ábra). A bemenőjelet (a) a multivibrátor jele (b) négyszöghullámmá modulálja. Ez a jel lesz visszademodulálva (c) egyenáramú jellé a kimeneten (d). Az erősítő elkerülhetetlen eredendő kisfrekvenciás hibái (piros hullámforma) (c) a kimeneten négyszöghullámmá lesznek modulálva, amelyet aztán (d) egy aluláteresztő szűrő (LPF, low-pass filter) szűr.

2. ábra: A V_IN bemenőjel (kék) és a bemeneti hibák (piros) időtartománybeli hullámformái a bemenetnél (a), a V1 (b) és a V2 (c) feszültség és a V_OUT (d) kimenőfeszültség esetén az alapszintű multivibrátoros jelszaggató technika esetén (ábra: Analog Devices)

A frekvenciatartomány elemzése szintén tanulságos (3. ábra). A bemenőjel (a) a multivibrátor-frekvenciára (b) lesz modulálva, az erősítőfokozat az f_CHOP multivibrátor-frekvencián dolgozza fel, a kimeneten vissza lesz modulálva egyenárammá (c), és végül áthalad az aluláteresztő szűrőn (d). Az erősítő eltolása és zajforrásai (piros jel) az erősítőfokozaton keresztül egyenáramú formában lesznek feldolgozva, a kimeneti multivibrátoros kapcsolók (c) az f_CHOP multivibrátor-frekvenciára modulálják, és végül az aluláteresztő szűrő (d) szűri. Mivel az eszköz négyszöghullámú modulációt használ, a moduláció a modulációs frekvencia páratlan többszörösei körül történik.

3. ábra: A jel (kék) és a hibák (piros) frekvenciatartománybeli spektruma a bemenetnél (a), a V1 (b) és a V2 (c) feszültség és a (d) V_OUT (d) kimenőfeszültség esetén szintén fontos szempont (ábra: Analog Devices)

Természetesen egyetlen készülék sem tökéletes. Mind az időtartományt, mind a frekvenciatartományt szemléltető ábrák azt mutatják, hogy a modulált zaj és az eltolás miatt lesz valamekkora megmaradó hiba, mert az aluláteresztő szűrő nem egy tökéletes „téglafal”.

Áttérés az automatikus nullázásra

Az automatikus nullázás egy dinamikus helyesbítési technika, amely mintavételezéssel és az erősítőben lévő kisfrekvenciás hibaforrások kivonásával működik. Az alapszintű automatikus nullázó erősítő részei: egy erősítő, annak elkerülhetetlen eltolásával és zajával, a be- és a kimeneti áramkör átalakítására szolgáló kapcsolók és egy automatikus nullázó mintavevő kondenzátor (4. ábra).

4. ábra: Az alapszintű automatikus nullázó erősítő kapcsolási rajzán láthatóak a jelút megváltoztatására és ezzel az erősítő elkerülhetetlen eredendő hibáinak egy kondenzátorra vezetésére szolgáló kapcsolók (ábra: Analog Devices)

Az automatikus nullázási fázisban (ϕ₁) az áramkör bemenete rövidre van zárva egy közös feszültségre, és az automatikus nullázó kondenzátor mintákat vesz a bemeneti eltolási feszültségből és a zajból. Fontos megjegyezni, hogy az erősítő ebben a fázisban nem használható jelerősítésre, mert más feladattal van elfoglalva. Így ahhoz, hogy egy automatikus nullázó erősítő folyamatosan működjön, két azonos csatornát kell egymást váltó módon elrendezni. Ez „pingpongozó” automatikus nullázás néven ismert.

Az erősítési fázisban (_ϕ2) a bemenet visszakapcsolódik a jelútba, és az erősítő ismét használható a jel erősítésére. Automatikus nullázással semlegesíthető a kisfrekvenciás zaj, az eltolás és az elvándorlás is. A fennmaradó hiba a pillanatnyi érték és az előző hibaminta közötti különbség.

Mivel a kisfrekvenciás hibaforrások nem változnak sokat _ϕ1 és a _ϕ2 fázis között, ez a kivonás jól működik. A nagyfrekvenciás zaj azonban lekeverődik (eltolódik) az alapsáv frekvenciájára, ami megnövekedett alap fehérzaj-szintet eredményez (5. ábra).

5. ábra: A multivibrátoros stabilizálás és az automatikus nullázás műveletei alakítják a spektrális zajszintet (az ábrán balról jobbra): az automatikus nullázás előtt, az automatikus nullázás után, a multivibrátoros stabilizálás után, valamint a multivibrátoros stabilizálás és az automatikus nullázás után (ábra: Analog Devices)

A korszerű automatikus nullázó erősítő IC-k teljesítménye lenyűgöző. A kritikus tényezők, azaz az eltolás, az elvándorlás és a zaj tekintetében jellemzően egy-két nagyságrenddel jobbak még egy „nagyon jó” precíziós műveleti erősítőnél is. Tehát bár a zajuk nyilvánvalóan nem nulla, de nagyon közel van ahhoz.

Az ADA4528 például egy egycsatornás, két sín közötti (RTR, rail-to-rail), nulla elvándorlású erősítő, amelynek 2,5 μV a legnagyobb eltolási feszültsége, mindössze 0,15 μV/°C a legnagyobb eltolásifeszültség-elvándorlása, 5,6 nV/√Hz (nanovolt per gyökhertz) a feszültségzajszintje (f = 1 kHz és +100-as erősítés mellett), és 97 nV_pp a zajfeszültség csúcstól csúcsig mért értéke (f = 0,1 Hz és 10 Hz között, +100-as erősítés mellett). Az ADA4522 egy másik egycsatornás, két sín közötti (RTR, rail-to-rail), nulla elvándorlású erősítő 5 μV legnagyobb eltolási feszültséggel, 22 nV/°C legnagyobb eltolásifeszültség-elvándorlással, 5,8 nV/√Hz (jellemző) feszültségzajszinttel és 117 nV_pp csúcstól csúcsig mért zajfeszültséggel 0,1 Hz és 10 Hz között (jellemző), valamint 50 pA bemenet-előfeszítő árammal (jellemző).

A zajok csökkenthetik a „tökéletességet”

Bár a multivibrátoros stabilizálás a nemkívánatos eltolás, elvándorlás és 1/f zaj eltávolítása tekintetében jól működik, természeténél fogva nemkívánatos váltakozó áramú jelhibákat, például kimeneti búgófeszültséget és feszültségtüskéket állít elő. Az egyes jelhibák mögöttes okának gondos vizsgálata, majd a korszerű vagy kifinomult áramkörök és feldolgozási módszerek használata révén azonban az Analog Devices nulla elvándorlású termékei nagymértékben csökkentették ezeknek a jelhibáknak a nagyságát, és magasabb frekvenciákra helyezték azokat, ahol rendszerszinten könnyebb őket kiszűrni. Ezek a jelhibák a következők:

Búgófeszültség: A multivibrátoros modulációs technika alapkövetkezménye, hogy ezeket a kisfrekvenciás hibákat a multivibrátor-frekvencia páratlan felharmonikusaira helyezi át. Az erősítőtervezők számos módszert használnak a búgófeszültség hatásainak csökkentésére, többek között a következőket:

• Gyári eltolás-finombeállítás: A névleges eltolás jelentősen csökkenthető egy egyszeri kezdeti finombeállítással, de az eltolás elvándorlása és az 1/f zaj megmarad.
• A multivibrátoros stabilizálás és az automatikus nullázás kombinálása: Az erősítőn először automatikus nullázást végeznek, majd multivibrátoros stabilizálást hajtanak végre, hogy a megnövekedett spektrális zajszintet magasabb frekvenciára modulálják (amint az az előző ábrán látható, amely a multivibrátoros stabilizálás és az automatikus nullázás után kapott zajspektrumot mutatja).
• Visszacsatolás az automatikus helyesbítéshez (ACFB, autocorrection feedback): Egy helyi visszacsatoló hurok használható a kimeneten megjelenő modulált búgófeszültség érzékelésére, és a kisfrekvenciás hibáknak a forrásuknál történő nullázására.

Zavarok: Tranzienstüskék, amelyeket a multivibrátoros kapcsolókból származó töltésinjektálási eltérés okoz. Ezeknek a feszültségtüskéknek a nagysága számos tényezőtől függ, többek között a forrásimpedanciától és a töltéseltérés mértékétől.

A feszültségtüskék nemcsak jelhibákat idéznek elő a multivibrátor-frekvencia páros felharmonikusainál, de a multivibrátor-frekvenciával arányos egyenáramú eltolást is létrehoznak. A 6. ábrán balra azt látható, hogy ezek a tüskék hogyan néznek ki a V1-nél lévő multivibrátor-kapcsolókon belül, illetve a V2-nél lévő kimeneti multivibrátor-kapcsolók után. További feszültségtüskéket okoz a multivibrátor-frekvencia páros felharmonikusainál az erősítő véges sávszélessége (6. ábra, jobbra).

6. ábra: A töltésinjektálás miatti tüskefeszültség a V1 (a multivibrátor-kapcsolókon belül) és a V2 ponton (a multivibrátor-kapcsolókon kívül) (balra). Az erősítő véges sávszélessége által keltett feszültségtüskék a V1 és a V2 ponton (jobbra) (ábra: Analog Devices)

Az erősítőtervezők a búgófeszültséghez hasonlóan a nulla elvándorlású erősítőkben fellépő feszültségtüskék hatásának csökkentésére is kidolgoztak és megvalósítottak kifinomult, de hatékony technikákat.

• A töltésinjektálás finombeállítása: A töltéseltérés kiegyenlítésére egy beállítható mennyiségű töltés injektálható a multivibrátoros stabilizálású erősítő bemeneteibe, ami csökkenti a műveleti erősítő a bemenőáramának erősségét.
• Többcsatornás multivibrátoros stabilizálás: Ez nemcsak csökkenti a feszültségtüskék nagyságát, de nagyobb frekvenciára is helyezi át a feszültségtüskéket, ami megkönnyíti a szűrést. Ez a technika gyakoribb, de kisebb amplitúdójú feszültségtüskéket eredményez, mint a nagyobb multivibrátor-frekvenciával történő jelszaggatás önmagában.

A többcsatornás multivibrátoros stabilizálást egyértelműen szemlélteti egy jellegzetes nulla elvándorlású erősítő (A) és az ADA4522 összehasonlítása, mely utóbbi ezt a technikát használja a feszültségtüskék hatásának jelentős csökkentésére (7. ábra).

7. ábra: Az ADA4522 a módosított multivibrátoros stabilizáló technikának köszönhető kisebb zajfeszültség-tüskék révén az alapzajszintig csökkenti a feszültségtüskék amplitúdóját (ábra: Analog Devices)

Az önálló erősítőtől a rendszerteljesítményig

A szélessávú nulla elvándorlású erősítők hatékony alkalmazása a rendszerszintű kérdéseknek és az erősítő jellemzőinek gondos mérlegelését igényli. Létfontosságú annak megértése, hogy a fennmaradó jelhibák hol helyezkednek el a frekvenciaspektrumban, és milyen hatással vannak a működésre.

A multivibrátor-frekvencia általában szerepel az adatlapon, de nem mindig, viszont a zajspektrum ábrájának megtekintésével is meghatározható. Az ADA4528 adatlapja például egyértelműen 200 kHz-es multivibrátor-frekvenciát ad meg. Ez az eszköz zajszintgrafikonján is látható (8. ábra).

8. ábra: Az ADA4528 adatlapján megadott 200 kHz-es multivibrátor-frekvenciát az eszköz zajszintgrafikonja is igazolja (ábra: Analog Devices)

Az ADA4522 adatlapja szerint az eszköz multivibrátor-frekvenciája 4,8 MHz, 800 kHz-en működő eltolás- és búgófeszültség-helyesbítő hurokkal. A 9. ábrán látható zajszintgrafikonon jól láthatóak ezek a zajcsúcsok. 6 MHz-nél is van egy kiugró zaj a hurok csökkent erősítéshatára miatt, amikor a hurok egységnyi erősítésű, de ez nem csak a nulla elvándorlású erősítőkre jellemző.

9. ábra: Az ADA4522 zajszintgrafikonján nemcsak a multivibrátor-frekvencia, hanem a különböző forrásokból származó egyéb zajcsúcsok is jól láthatóak (ábra: Analog Devices)

A tervezőknek szem előtt kell tartaniuk, hogy az adatlapon megadott frekvencia csak egy jellemző érték, és alkatrészenként változhat. Ezért egy olyan rendszer esetében, ahol a több jelformáló csatornához két multivibrátoros stabilizáló erősítőre van szükség, egy kétcsatornás erősítőt kell használni. Ez azért van, mert a két külön erősítőnek némileg eltérő lehet a multivibrátor-frekvenciája, amelyek viszont kölcsönhatásba léphetnek egymással, és további intermodulációs torzítást (IMD, intermodulation distortion) okozhatnak.

Egyéb rendszerszintű tervezési feltételek:

• A bemeneti forrásimpedancia illesztése: A áramlökések okozta feszültségtüskék kölcsönhatásba lépnek a bemeneti forrásimpedanciával, és feszültségkülönbség-hibákat okoznak, ami a multivibrátor-frekvencia többszöröseinél további jelhibákat eredményezhet. Ennek a lehetséges hibaforrásnak a minimálisra csökkentése érdekében a multivibrátoros stabilizáló erősítő minden bemenetét úgy kell kialakítani, hogy azok azonos impedanciát lássanak.
• Intermodulációs torzítás és fantomfrekvencia miatti jelhibák: A multivibrátoros stabilizáló erősítő bemenőjele keveredhet az f_CHOP multivibrátor-frekvenciával, és együtt intermodulációs torzítást hozhatnak létre a két frekvencia összegnél és különbségénél, valamint felharmonikusainál: f_IN ± f_CHOP, f_IN ± 2f_CHOP, 2f_IN ± f_CHOP stb. Ezek az intermodulációs torzítás okozta zajok megjelenhetnek az érdeklődésre számot tartó sávban is, különösen ha a bemenőjel f_IN frekvenciája közeli a multivibrátor-frekvenciához. Ha azonban a bemenőjel sávszélességénél jóval nagyobb multivibrátor-frekvenciájú nulla elvándorlású erősítőt választunk, az nagymértékben csökkenti ezt a problémát, mivel biztosítja, hogy az f_CHOP multivibrátor-frekvenciához közeli frekvenciájú lehetséges zavarójelek még az erősítőfokozat előtt ki legyenek szűrve.

Az erősítő kimenőjelének analóg-digitális átalakítóval (ADC) történő mintavételezésekor a multivibrátor jelszaggatása miatti jelhibák hatására fantomfrekvenciák jelenhetnek meg (elterjedt angol szóval aliasing léphet fel). Ezeknek az intermodulációs torzítás okozta jelhibáknak a sajátosságai a feszültségtüskék és a búgófeszültség nagyságától függenek, és alkatrészenként eltérőek lehetnek, ezért gyakran van szükség az analóg-digitális átalakító előtti fantomfrekvencia-gátló (elterjedt angol kifejezéssel anti-aliasing) szűrők beépítésére az intermodulációs torzítás csökkentése érdekében.

Nem meglepő módon a szűrés kritikus fontosságú a nulla elsodródású erősítőkben rejlő lehetőségek teljes kihasználásához, mivel a nagyfrekvenciás jelhibák rendszerszintű kezelésének ez a leghatékonyabb módja. A nulla elvándorlású erősítő és az analóg-digitális átalakító között elhelyezett aluláteresztő szűrő csökkenti a multivibrátor okozta jelhibákat, és kiküszöböli a fantomfrekvenciákat.

A nagyobb multivibrátor-frekvenciájú nulla elvándorlású erősítők enyhítik az aluláteresztő szűrőkkel szemben támasztott követelményeket, és nagyobb jelsávszélességet tesznek lehetővé. Mindazonáltal, attól függően, hogy a rendszer és a jellánc esetében mekkora sávon kívüli szűrésre van szükség, lehet, hogy egy egyszerű szűrő helyett egy magasabb fokú aktív szűrőre lesz szükség.

Az ADI számos forrást kínál a szűrőtervezés felgyorsítására és egyszerűsítésére, ezek közé tartozik a többszörös visszacsatolású szűrőkkel kapcsolatos oktatóanyag (MT-220) és a Wizard internetes szűrőtervező eszköz. Ha ismerjük azokat a frekvenciákat, amelyeken ezek a multivibrátor miatt jelentkező jelhibák előfordulnak, az segít a szükséges szűrő megalkotásában (10. ábra).

10. ábra: A táblázat összefoglalja a zajtípusokat és azok frekvenciaspektrumbeli elhelyezkedését a nulla elvándorlású erősítők esetében, és hasznos útmutató annak felméréséhez, hogy hol és milyen szűrésre van szükség (táblázat: Analog Devices)

Az utolsó teljesítménymorzsák kinyerése

Az egyik probléma, amivel a tervezők találkoznak, amikor kiváló minőségű alkatrészeket használnak gondos rendszertervezés mellett, az, hogy hirtelen jelentősekké válnak a maradék hibaforrások. A korábban jelentéktelen vagy láthatatlan hibaforrások ekkor a csúcsteljesítmény elérését korlátozó tényezőkként jelennek meg (ez ahhoz hasonló, mint amikor egy folyó kiszárad a szárazságban, és a folyómeder új elemei először kerülnek a felszínre). Más szóval, a harmadrendű hibaforrások akkor válnak problémává, amikor az első- és másodrendű hibaforrásokat minimálisra csökkentettük vagy megszüntettük.

Például a nulla elvándorlású erősítők és azok analóg jelcsatornái esetében az eltolási hiba egyik lehetséges forrása a nyomtatott áramköri lapon jelentkező Seebeck-feszültség. Ez a feszültség két különböző fém találkozásánál keletkezik, és nagysága az érintkezési pont hőmérsékletének függvénye. A nyomtatott áramköri lapon a különböző fémek leggyakoribb érintkezési pontja a forraszanyag és a vezetőcsík, valamint a forraszanyag és az alkatrészláb közötti érintkezés.

Nézzük most meg egy nyomtatott áramköri lapra forrasztott felületszerelt alkatrész keresztmetszetét (11. ábra). A nyomtatott áramköri lap felületén lévő hőmérséklet-különbség, például ha a TA1 eltér a TA2 értéktől, a forrasztási pontoknál keletkező Seebeck-feszültségek közötti eltérést okoz, ami a hőmérséklet miatti feszültséghibákat eredményez, ami pedig rontja a nulla elvándorlású erősítők rendkívül kis feszültségeltolásának mértékét.

11. ábra: Mivel a korszerű nulla elvándorlású erősítők jelentősen csökkentik a saját hibáikat, a kevésbé nyilvánvaló hibaforrások, például a hőmérsékleti gradiensek és a Seebeck-feszültség okozta hibák jelentik azt a kihívást, amellyel foglalkozni kell (ábra: Analog Devices)

A fenti hőelemhatások minimálisra csökkentése érdekében az ellenállásokat úgy kell elhelyezni, hogy a különböző hőforrások mindkét végüket egyformán melegítsék. Ahol csak lehetséges, a bemenőjelek útvonalán azonos számú és típusú alkatrészeknek kell lenniük, hogy egyforma legyen a hőelem-csatlakozások száma és típusa. A hőelektromos hibaforrások egymáshoz illesztéshez használhatók álalkatrészek, például nulla ohmos ellenállások (a bemeneti útvonal másik oldalán valódi ellenállásokkal) . Az egymásnak megfelelő alkatrészek egymáshoz közeli elhelyezése és azonos módon történő tájolása biztosítja az azonos Seebeck-feszültségeket, kiküszöbölve ezzel a hőmérséklet okozta hibákat.

Ezenkívül szükség lehet azonos hosszúságú alkatrészlábak használatára, hogy a hővezetés egyensúlyban maradjon. A nyomtatott áramköri lapon lévő hőforrásokat a lehető legtávolabb kell elhelyezni az erősítő bemeneti áramköreitől. Ezenkívül egy testfelület használható annak elősegítésére, hogy a hő egyenletesen oszoljon el nyomtatott áramköri lapon, és így a teljes nyomtatott áramköri lap hőmérséklete azonos legyen, valamint hogy csökkentse az elektromágneses zavarás miatti zajfelvételt.

Összegzés

A mai nulla elvándorlású IC-k rendkívül stabil és pontos teljesítményt nyújtanak, így megoldást jelentenek a valós készülékekben lévő analóg bemeneti áramkörök (AFE) jelentette kihívásokra, amelyek pontosságot és egyöntetűséget követelnek meg a nagyon kis frekvenciájú jelek érzékelése terén. Megoldják az ezeknek az egyenfeszültségű vagy csaknem egyenfeszültségű jeleknek a pontos felerősítése jelentette, régóta fennálló problémát, valamint számos olyan helyzetet, ahol nagyobb sávszélességre is szükség van. Az ilyen erősítők építésére rendelkezésre álló két technika – nevezetesen a multivibrátoros stabilizálás és az automatikus nullázás – egy IC-ben történő egyesítésével a tervezők kihasználhatják mindkét megoldás előnyös tulajdonságait, ráadásul ez a kialakítás egyúttal jelentősen csökkenti is ezen erősítők jelhibáit és egyéb hiányosságait.