DINAMIČKO PONIŠTAVANJE OFSETA OPERACIONIH I ...tnt.etf.bg.ac.rs/~ms1aik/predavanja/8_Dinamicko ponistavanje ofseta... · 2 Precizni pojačavači moraju da imaju veliki dinamički

1

1Jan 09 MS1AIK Željko Aleksić

DINAMIDINAMIČČKO PONIKO PONIŠŠTAVANJE TAVANJE OFSETA OFSETA OPERACIONIOPERACIONIH I H I INSTRUMENTACIONIHINSTRUMENTACIONIH

POJAPOJAČČAVAAVAČČA A

C. C. Enz and G. C. Temes, Circuit techniques for reducing the effects of op-amp imperfections: autozeroing, correlated double sampling, and chopper stabilization, Proceedings of the IEEE, Vol. 84, No. 11, pp. 1584-1614, November 1996.Johan Huijsing, Dynamic Offset Cancellation in Operational Amplifiers and Instrumentation Amplifiers; Michiel Steyaert, Arthur H. M. van Roermund, Herman Casier, editors, Analog Circuit Design - High-speed Clock and Data Recovery,High-performance Amplifiers, Power Management, Springer Science+Business Media B.V. 2009, Part II.

2

Precizni pojačavači moraju da imaju veliki dinamički opseg. Sa smanjenjem napona napajanja, dinamički opseg je sve više ograničen ofset naponom i fliker šumom, naročito kod CMOS pojačavača.

Tehnike za dinamičko poništavanje ofset napona i fliker šuma se svrstavaju u dve osnovne grupe:autozero tehnike, koje se baziraju na odabiranju, i čoperske tehnike, koje se baziraju na modulaciji.

2


Autozero pojačavači

Poništavanje ofseta može da se realizuje sa pojačavačem u otvorenoj ili u zatvorenoj (jediničnoj) sprezi tokom autozero (AZ) faze rada pojačavača. Pojačavač u zatvorenoj sprezi tokom AZ faze je prikazan na slici.

U diferencijalnoj realizaciji rezidualni ofset je određen razlikom parazitnog naelektrisanja Δqinj .


Ovaj metod može da se primeni na svakom od nekoliko kaskadno vezanih stepena.

3


Punjenje kondenzatora C na izlazni ofset napon u AZ fazi je najjednostavniji način za poništavanje ofseta. U ovoj realizaciji pojačavač je u otvorenoj sprezi. Zahteva manje kondezatore, ali i da izlaz ne bude u zasićenju pod dejstvom ofset napona, tj. primenljiv je za malo pojačanje.

Kada je u pitanju transkonduktansni pojačavač, mogu da se koriste uzemljeni kondenzatori uz dodatni transkonduktansni pojačavač kojim se poništava ofset na izlazu.


Primenom autozero tehnike uspešno se smanjuje ofset i niskofrekventni fliker šum, ali se povećava spektralna gustina snage širokopojasnog tj. belog šuma, zbog presavijenog spektra belog šuma zbog primene odabiranja šuma koji nema spektar ograničen do polovine učestanosti odabiranja. Spektralna gustina snage je uvećana na niskim i učestanostima do dvostruke učestanosti odabiranja.

4


Umesto poništavanja ofseta naponom na ulaznom ili izlaznom kondenzatoru, može se u AZ fazi vršiti trimovanje ofseta, ako pojačavač ima odgovarajući ulaz za podešavanje ofseta.


Tzv. nulling port tj. ulaz za trimovanje može da se realizuje primenom dodatnog diferencijalnog para čiji je izlaz priključen paralelno izlazu glavnog para.

5


Realizacija ulaza za trimovanje primenom strujnog ogledala sa MOS otpornicima za degeneraciju.


Autozero pojačavač sa prethodnih slajdova ne pojačava ulazni signal u AZ fazi. Primenom dva pojačavača kao na slici, postiže se da se ulazni signal pojačava kontinualno u vremenu. Međutim, pojačanje je manje u AZ fazi i tada je jednako pojačanju AB gornjeg pojačavača, dok je u fazi pojačavanja jednako proizvodu pojačanja anulirajućeg tj. donjeg pojačavača AA i pojačanja gornjeg pojačavača od njegovog anulirajućeg ulaza do izlaza. Ukupan ekvivalentni ulazni ofset se smanjuje približno AA/2 puta.U propusnom opsegu pojačavača javljaju se smetnje zbog signala takta, pošto je učestanost takta niža od granične učestanosti pojačavača. Ove smetnje se smanjuju ako učestanost takta nije konstantna nego se menja po pseudoslučajnom zakonu, primenom tehnika odabiranja u sistemima sa proširenim spektrom.

6


Kontinuitet pojačavanja signala može da se ostvari i tzv. ping-pong strukturom kao na slici.


Instrumentacioni pojačavač ima dva V-I konvertora tj. transkonduktansna pojačavača. Autozero instrumentacioni pojačavač sa kontinunualnim pojačavanjem signala može da se realizuje kao tzv. ping-pong-pang pojačavač, koji ima tri V-I konvertora, od kojih je uvek jedan u AZ fazi a druga dva su priključena na izlazni stepen Gm1 i pojačavaju ulazni signal odnosno signal povratne sprege.

7


Čoperski operacioni i instrumentacioni pojačavači

Ulazni signal se moduliše, pojačava i zatim izlaznim čoperom demoduliše. Ulazni ofset i fliker šum pojačavača se izlaznim čoperom modulišu i zatim uklanjaju filtrom. Koristan propusni opseg je limitiran na polovinu čoperske učestanosti.


Ako je gustina spektra ofseta i fliker šuma manja od polovine čoperske učestanosti, filtrom iza drugog čopera ofset i fliker šum se eliminišu, a preostaje samo širokopojasni beli šum.

8


Igličasti impulsi na izlazu pojačavača koji su posledica neidealnosti prvog čopera se usmeravaju drugim čoperom, što posle niskopropusnog filtriranja rezultuje rezidualnim ofsetom.


Rezidualni ofset se može smanjiti filtriranjem propusnikom opsega, čime se slabe igličasti impulsi

9


Rezidualni ofset se može smanjiti dvostrukim, tzv. ugnježdenim (“nested”) čoperima, od kojih je učestanost jednog multipl (~100x) učestanosti drugog. Spoljašnji čoperi imaju nisku učestanost pa generišu mali rezidualni ofset.


Poluinstrumentacioni pojačavač sa ugnježdenim čoperima, za pojačavanje signala Holovog senzora.

10


Zbog nesimetrija u diferencijalnoj realizaciji igličasti impulsi učestanosti višeg takta nisu jednakog trajanja, što i pored ugnježdenog čopovanja stvara rezidualni ofset.


Ofset se može dalje smanjiti kombinovanjem autozero i čoperske tehnike. Ovde je prikazan čoperski pojačavač kod kojeg je osnovni pojačavač realizovan kao ping pong autozero pojačavač. Šum ovakvog pojačavača je uniformnije raspodeljen u funkciji učestanosti, pa njegova spektralna gustina nije izrazito velika u okolini dvostruke učestanosti takta. Zbog primene ping-pong tehnike jednostavnija je kompenzacija ovakvog pojačavača.

11


Čoperski instrumentacioni pojačavač može da se realizuje ugradnjom čopera ispred oba V-I konvertora i posle sumiranja njihovih izlaznih struja, na ulazu izlaznog pojačavača. Pojačanje ovakvog pojačavača je jednako Av = ((R1 + R2)/R1)(Gm21/Gm22)


Rezidualni ofset instrumentacionog pojačava može dalje da se smanji primenom ugnježdene čoperske tehnike.

12


Čoperski stabilisani operacioni i instrumentacioni pojačavači

Realizacijom paralelne širokopojasne putanje manjeg pojačanja i bez čopera, ostvaruje se kombinovani pojačavač malog ofseta i širokog propusnog opsega.


13


U čoperski stabilisanom pojačavaču može osnovni pojačavač između čopera da bude realizovan kao autozero pojačavač, čime se dodatno smanjuje rezidualni ofset. Gm4 je integratorski pojačavač koji smanjuje “ripl” na izlazu čopera.


Alternativan način za smanjenje ripla je kombinacija pasivnog integratora i prati-pamti kola.

14


Čoperski stabilisani instrumentacioni pojačavač sa hibridnom ugnježdenom Milerovom kompenzacijom sa više putanja.


Čoperski stabilisani instrumentacioni pojačavač sa autozero pojačavačima kao osnovnim pojačavačima kojima se smanjuje ofset čopovanjem.

15


Čoperski stabilisani i autozero čoperski operacioni i instrumentacioni pojačavači

Čoperski stabilisani čoperski operacioni pojačavač sa hibridnom ugnježdenom Milerovom kompenzacijom sa više putanja.


Čoperski stabilisani čoperski operacioni pojačavač sa hibridnom ugnježdenom Milerovom kompenzacijom sa više putanja, sa autozero Gm5 i Gm4 pojačavačima.

16


Čoperski stabilisani čoperski instrumentacioni pojačavač sa hibridnom ugnježdenom Milerovom kompenzacijom sa više putanja.


Čoperski stabilisani čoperski instrumentacioni pojačavač sa hibridnom ugnježdenom Milerovom kompenzacijom sa više putanja, sa autozero Gm5 i Gm4 pojačavačima.

17



Primena floating gate tranzistora za trimovanje ofseta

Documents

DINAMIČKO PONIŠTAVANJE OFSETA OPERACIONIH I ...tnt.etf.bg.ac.rs/~ms1aik/predavanja/8_Dinamicko ponistavanje ofseta... · 2 Precizni pojačavači moraju da imaju veliki dinamički