כיצד להשיג דיוק DC‏ וגם רוחב-פס רחב תוך שימוש במגברי אפס-סחיפה

ישנם אותות חיישן רבים של העולם-האמיתי, במיוחד אלה המתיחסים לתופעות טבע, שמציגים רק שינוים איטיים וקטנים מאוד ביחס לזמן. ועם זאת שינוים קלים אלה הם החשובים לפיתוח תובנות והבנה של המצב. מבין הדוגמאות הרבות ישנם מדי המאמץ המנטרים תנועת גשר או מבנה, מתמרים (Transducers) תת-מימיים עבור זרימת זרם, תופעות המתיחסות לטמפרטורה, מדי-תאוצה החשים תנועה הקשורה לרעידות אדמה ותזוזות פני-השטח של כדור הארץ, יציאות ממגוון חיישנים אופטיים וכמעט כל האותות הביו-פוטנציאליים.

לכידת אותות רמה-נמוכה ביעילות ובדייקנות היתה תמיד אתגר. אותות מושחתים בקלות על ידי רעש, כך שהגברתם היא קריטית כדי להשיג את המשרעת הדרושה ולשמר את יחס האות לרעש (SNR). התדר הנמוך של אותות אלה, לרוב בגודל חד-ספרתי או עשרות הרץ, כשבלשון מדוברת ובאופן אוניברסלי מתיחסים לאותות כ"אותות DC", מגדיל את האתגר.

כל היסט DC התחלתי בפרמטרים של המגבר כגון זרם ממתח (bias current) או היסט מתח (voltage offset), ורעש אינהרנטי f‏/1‏ (ורוד), כמו גם תזוזות ביצוע עוקבות בלתי-נמנעות בשל סחף הנגרם על ידי טמפרטורה, שינויי פס-מתח או התישנות רכיבים, יפגעו בביצועים של שרשרת האותות.

מסורתית, למה שמתייחסים כמגברי “אפס-סחיפה” היו ישימים רק עבור יישומי רוחב-פס נמוך יותר מאחר וטכניקות הקטנת שגיאה דינמיות מייצרות ארטיפקטים רבים בתדרים גבוהים יותר. עם זאת, זו הגבלה מגבילה מאוד, כיוון שלאותות כביכול-DC‏ אלו יכולות להיות התפרצויות פתאומיות חשובות של תדר גבוה יותר, פעילות רוחב-פס רחב יותר, כגון כשמבנה פתאום נשבר או מתרחשת רעידת אדמה.

מסיבה זו, מגבר‏ קצה-קדמי המתאפיין בסחיפה נמוכה מאוד עבור אותות כביכול-DC והוא בעל ביצועים טובים בתדר גבוה יותר הוא רצוי מאוד. למרבה המזל, שיפורים בטופולוגיה ותכנון איפשרו פיתוח של מעגלים-משולבים (ICs‏) סחיפה-אפס עבור עבודה מ-DC עד תדרים גבוהים יותר שלמעשה מונעים היסט (Offset), סחיפת פרמטרים ורעש 1‎/f.

מאמר זה ישתמש ברכיבים מבית Analog Devices‏ (ADI) כדי להדגים את המאפיינים של מגברי אפס-סחיפה, הפרמטרים שלהם ובעיות. אחר כך המאמר יסתכל על כיצד ממומשות הפונקציות של מגבר אפס-סחיפה, כמו גם על טכניקות לשיפור הביצועים של המגבר ושרשרת אותות קשורה.

להתעסק עם סחיפה שונה מאפס

סחיפה היא‏ סטיה בביצועי הקו ההתחלתי והיא מתרחשת בעיקר, אך לא רק, בשל תופעות תרמיות בחיישן כמו גם במעגלי הקצה-הקדמי האנלוגי (AFE). הפתרון המסורתי להשגת סחיפה כמעט-אפסית הוא להשתמש במגבר‏ מיוצב-קוצץ המאפנן את אות התדר-הנמוך (לרוב נקרא אות‏ DC‏) לתדר‏ גבוה יותר, שהוא קל יותר לבקרה ולסינון; דמודולציה בדרגת-יציאה עוקבת על ידי המגבר משחזרת את האות המקורי, אך בצורה מוגברת. טכניקה זו עובדת והשתמשו בה בהצלחה במשך שנים רבות.

שים לב “שאות DC” הוא במידה מסוימת מונח לא מתאים, ו“כמעט DC‏” יהיה יותר מדויק. אם האות היה באמת DC, ולכן היה בעל ערך קבוע, לא היו בו שינויים נושאי מידע‏ – במקום זה, השינויים האיטיים הם המעניינים. עדיין, הטרמינולוגיה הנפוצה היא להשתמש במונח “אות DC‏”.

חלופה לייצוב מבוסס-קוצץ היא הגישה של “איפוס-עצמי”. טכניקה זו משתמשת בתיקון דינמי כדי להשיג תוצאות דומות, אך עם סט שונה במידה מסוימת של ‏פשרות ביצועים. מגברי שרת סחיפה-אפס יכולים להשתמש בקיצוץ, איפוס-עצמי, או בשילוב של שתי הטכניקות כדי להסיר מקורות שגיאה תדר-נמוך בלתי רצויים. שוב, ישנו ענין מינורי של בעית טרמינולוגיה: המונח “אפס-סחיפה” הוא קצת מטעה: בעוד מגברים אלו אכן יש להם סחיפה קטנה ביותר, קרובה מאוד לאפס, הם לא מושלמים – אם כי הם קרובים לכך באופן מרשים. לכל טכניקה יש את היתרונות והחסרונות שלה ומשתמשים בה ביישומים שונים:

• קיצוץ משתמש באפנון ודמודולציה של אות והוא בעל רעש פס-בסיס נמוך יותר, אך גם מייצר ארטיפקטים של רעש בתדר הקיצוץ וההרמוניות שלו.
• לחלופין, איפוס-עצמי משתמש במעגל‏ דגום-והחזק (sample-and-hold) והוא מתאים עבור יישום פס רחב יותר, אך הוא בעל רעש מתח פנים-פס גבוה יותר בשל רעש “Foldback” לחלק פס-הבסיס של הספקטרום.
• מעגלים-משולבים (ICs) אפס-סחיפה מתקדמים משלבים את שתי הטכניקות כדי להציע את הטוב ביותר בשני העולמות. הם מנהלים את הצפיפות הספקטרלית של הרעש (NSD) כדי להציע רעש פס-בסיס נמוך יותר תוך כדי צמצום למינימום שגיאות תדר-גבוה כמו אדווה, שיבושי glitch ועיוות אינטרמודולציה (IMD) (איור 1‏).

איור 1‏: לכל סוג של מגבר אנלוגי יש צפיפות ספקטרלית של רעש (NSD) אופיינית ייחודית; מגבר אפס-סחיפה מקבל את ביצועי ה-NSD של גישות האיפוס-העצמי והמיוצב-קוצץ כדי להפיק תרחיש מקובל יותר. (מקור תמונה: Analog Devices)

התחל עם קיצוץ

המגבר המיוצב-קוצץ (הנקרא גם ‏מגבר קיצוץ או “קוצץ”) משתמש במעגל‏ קיצוץ כדי לפרק (לקצץ) את אות הכניסה כך שניתן יהיה לעבד אותו כאילו היה אות AC מאופנן. אחר כך מבצע דמודולציה של האות חזרה לאות DC ביציאה כדי להפיק את אות המקור.

בדרך זו ניתן להגביר אותות DC קטנים ביותר בעוד התופעות של סחיפות בלתי רצויות מוקטנות ביותר לקרוב לאפס. אפנון הקיצוץ מפריד היסט ורעש תדר-נמוך מתכולת האות על ידי אפנון השגיאות לתדרים גבוהים יותר, היכן שהן מוקטנות בקלות או מוסרות באמצעות סינון.

ניתן להבין בקלות את פרטי פעולת הקיצוץ במישור הזמן (איור 2‏). אות הכניסה (a‏) מאופנן על ידי אות הקיצוץ (b‏) לגל ריבועי. אות זה עובר דמודולציה (c) ביציאה (‏d‏) חזרה ל-DC‏. שגיאות תדר-נמוך אינהרנטיות (צורת גל אדומה) במגבר עוברות (c) אפנון ביציאה לגל ריבועי, שלאחר מכן (d) מסוננות על ידי מסנן מעביר-נמוכים (LPF‏).

איור 2‏: צורות גל במישור הזמן של אות הכניסה V_IN (כחול) ושגיאות (אדום) בכניסה (a),‏ (b‏) V1,‏ (c)‏ V2 ו-(d)‏ V_OUT עבור טכניקת הקיצוץ הבסיסית. (מקור תמונה: Analog Devices)

ניתוח במישור התדר מחכים גם כן (איור 3‏). אות הכניסה (a‏) מאופנן לתדר הקיצוץ (b‏), מעובד על ידי דרגת ההגבר ב-f_CHOP, עובר דמודולציה ביציאה חזרה ל-DC‏ (c), ולבסוף מועבר דרך ה-LPF‏ (d). מקורות ההיסט (Offset) והרעש (אות אדום) של המגבר מעובדים ב-DC‏ דרך דרגת ההגבר, מאופננים ל-f_CHOP על ידי מתגי הקיצוץ יציאה (c), ולבסוף מסוננים על ידי ה-LPF‏ (d). מאחר ומשתמשים באפנון גל-מרובע, האפנון קורה סביב כפולות אי-זוגיות של תדר האפנון.

איור 3‏: הספקטרום במישור התדר של האות (כחול) ושגיאות (אדום) בכניסה (a),‏ (b‏) V1,‏ (c)‏ V2 ו-(d)‏ V_OUT הוא גם כן פרספקטיבה חשובה. (מקור תמונה: Analog Devices)

כמובן אף תכנון אינו מושלם. שני האיורים, במישור הזמן ובמישור התדר, מראים שתהיה שגיאה שיורית מסוימת בגלל הרעש המאופנן וההיסט (Offset) מאחר וה-LPF‏ אינו “קיר לבנים‏.”

התקדם לאיפוס-עצמי

איפוס-עצמי הוא טכניקת תיקון דינמית העובדת על ידי דיגום והחסרת מקורות שגיאה תדר-נמוך במגבר.‏ מגבר‏ איפוס-עצמי בסיסי מורכב ממגבר עם ההיסט (Offset) והרעש שלו הבלתי-נמנעים, מתגים עבור קונפיגורציה מחדש של הכניסה והיציאה, וקבל דיגום איפוס-עצמי‏ (איור 4‏).

איור 4‏: קונפיגורציית מגבר האיפוס-העצמי הבסיסי מראה את המתגים המשמשים עבור קונפיגורציה מחדש של מסלול האות וכך ללכוד את השגיאות האינהרנטיות של המגבר בקבל. (מקור תמונה: Analog Devices)

במהלך שלב האיפוס-העצמי, ϕ₁, הכניסה של המעגל מקוצרת למתח‏ משותף וקבל האיפוס-העצמי דוגם את מתח ההיסט ורעש כניסה. חשוב לשים לב שהמגבר “אינו זמין” עבור הגברת אות במהלך שלב זה כיוון שהוא עסוק במשימה אחרת. לפיכך, כדי שמגבר איפוס-עצמי יפעל באופן רציף, שני ערוצים זהים חייבים לעבוד לסרוגין במה שקרוי איפוס-עצמי ב“פינג-פונג”.

בשלב ההגברה, ϕ₂, הכניסה מחוברת חזרה למסלול האות, והמגבר זמין שוב להגברת האות. רעש, היסט (Offset) וסחיפת התדר-הנמוך מבוטלים על ידי איפוס-עצמי. השגיאה הנותרת היא ההפרש בין הערך הנוכחי והדגימה הקודמת של השגיאות.

מאחר ומקורות שגיאה תדר-נמוך אינם משתנים בהרבה מ-ϕ₁ ל-ϕ₂, חיסור זה עובד היטב. עם זאת, רעש התדר-הגבוה משתקף למטה בפס-בסיס וגורם לרצפת רעש-לבן מוגדלת (איור 5‏).

איור 5‏: הצפיפות הספקטרלית של הספק רעש מעוצב על ידי הקיצוץ (chopping) ופעולות איפוס-עצמי (auto-zero), כמתואר (משמאל לימין) לפני איפוס-עצמי, אחרי איפוס-עצמי, אחרי קיצוץ ואחרי קיצוץ ואיפוס-עצמי. (מקור תמונה: Analog Devices)

הביצועים של מגברי IC איפוס-עצמי מתקדמים הם מרשימים. הם אופיינית טובים יותר אפילו ממגבר שרת מדויק "טוב מאוד" בסדר גודל של אחד עד שניים במפרטי היסט (Offset) סחיפה (Drift) ורעש קריטיים. כך, שבעוד המספרים שלהם כמובן אינם אפס, הם קרובים מאוד לכך.

לדוגמה, ה-ADA4528‏ הוא מגבר אפס-סחיפה, ערוץ-יחיד, פס-לפס (RTR), שמתאפיין במתח היסט (Offset)‏ מקסימלי של 2.5‏ מיקרו-וולט (μV‏), סחיפת מתח היסט‏ מקסימלית של ‎0,015 μV/°C בלבד‏, וצפיפות‏ רעש מתח של 5.6 ננו-וולט לשורש הרץ (nV/√Hz‏) (ב-f = 1 kHz, הגבר של 100+), ו-‎97 nV_peak-peak (עבור f‏ = ‏‎0.1 Hz‏ עד Hz‏ 10‏, הגבר של 100+). ה-ADA4522, מגבר אפס-סחיפה RTR ערוץ-יחיד אחר, מציע‏ מתח היסט מקסימלי של μV‏ 5‏, סחיפת‏ מתח היסט מקסימלית של ‎22 nV/°C, ‏צפיפות רעש מתח של ‎5.8 nV/√Hz‏ (אופיינית), ו-‎117 nV_peak-peak מ-‏‎0.1 Hz עד ‎10 Hz‏ (אופייני), ביחד עם זרם ממתח כניסה‏ של 50 פיקו-אמפר (pA) (אופייני).

ארטיפקטים יכולים לפגוע ב“שלמות”

למרות שקיצוץ עובד היטב להסרת היסט (Offset), סחיפה, ורעש f‏/1‏ בלתי רצויים, הוא מיצר אינהרנטית ארטיפקטים AC‏ לא-רצויים כמו אדוות יציאה ושיבושי glitch. עם זאת, הודות לבדיקה מדוקדקת של הסיבה הבסיסית של כל ארטיפקט, ובהמשך שימוש בטופולוגיות וגישות עיבוד מתקדמות או מתוחכמות, מוצרי אפס-סחיפה מבית Analog Devices‏ הקטינו בהרבה את הגודל של ארטיפקטים אלה, ומיקמו אותם בתדרים גבוהים יותר בהם קל יותר לסננם ברמת מערכת. ארטיפקטים אלה כוללים:

אדווה: תוצאה בסיסית של טכניקת אפנון קיצוץ המזיזה שגיאות תדר-נמוך אלו להרמוניות אי-זוגיות של תדר הקיצוץ. מתכנני מגברים משתמשים בשיטות רבות כדי להקטין את ההשפעות של אדווה, כולל:

• קיצוץ (Trimming) היסט (Offset) ייצור: ניתן להקטין משמעותית את ההיסט (Offset) הנומינלי על ידי ביצוע קיצוץ‏ התחלתי חד-פעמי, אך סחיפת ההיסט ורעש f‏/1‏ נשארים.
• שילוב של קיצוץ (Chopping) ואיפוס-עצמי (Auto-zeroing): ראשית המגבר עובר איפוס-עצמי, אחר כך מקוצץ כדי לאפנן-מעלה את הצפיפות הספקטרלית של רעש (NSD) המוגדלת לתדר גבוה יותר (כפי שנראה באיור הקודם, המראה את ספקטרום רעש התוצאה לאחר קיצוץ ואיפוס-עצמי).
• משוב תיקון-עצמי (ACFB): ניתן להשתמש בחוג משוב מקומי כדי לחוש את האדווה המאופננת ביציאה ולבטל את שגיאות התדר הנמוך במקורן.

שיבושי Glitch: קפיצות מתח (spikes) של טרנזיינט הנגרמות על ידי אי-התאמה של הזרקת מטען ממתגי הקיצוץ. הגודל של שיבושי Glitch אלה תלוי בגורמים רבים, כולל עכבת מקור ומידת אי-התאמת המטען.

קפיצות המתח Glitch‏ גורמות לא רק לארטיפקטים בהרמוניות הזוגיות של תדר הקיצוץ, אלא גם יוצרות היסט (Offset) ‏‏DC‏ שיורי פרופורציונלי לתדר הקיצוץ. איור 6‏ (שמאל) מדגים כיצד נראות קפיצות מתח אלו בתוך מתגי הקיצוץ ב-V1, ולאחר מתגי קיצוץ יציאה ב-V2. ארטיפקטים Glitch נוספים בהרמוניות זוגיות של תדר הקיצוץ נגרמים על ידי רוחב-פס סופי של המגבר (איור 6, ימין).

איור 6‏: מתח Glitch‏ (שמאל) מהזרקת מטען ב-V1 (בתוך מתגי הקיצוץ) ו-V2 (מחוץ למתגי הקיצוץ); שיבושי Glitch (ימין) הנגרמים על ידי רוחב-פס סופי של המגבר ב-V1 וב-V2. (מקור תמונה: Analog Devices)

בדיוק כמו עם אדווה, מתכנני מגברים תכננו וממשו טכניקות מתוחכמות אך יעילות להפחתת השפעת שיבושי ה-Glitch במגברי אפס-סחיפה.

• קיצוץ (Trim) הזרקת מטען: ניתן להזריק מטען‏ בר-קיצוץ אל תוך הכניסות של מגבר מקוצץ כדי לקזז עבור אי-התאמת מטען, שמקטינה את כמות זרם הכניסה בכניסות מגבר השרת.
• קיצוץ (Chopping) רב-ערוצי: זה לא רק מקטין גודל Glitch‏ אלא גם מעביר אותו לתדר גבוה יותר, דבר המקל על סינון.‏ תוצאת טכניקה זו היא שיבושי Glitch תדירים יותר אך בגדלים קטנים יותר מאשר במקרה של קיצוץ פשוט בתדר גבוה יותר.

הדגמה ברורה של קיצוץ רב-ערוצי נראה בהשוואה בין מגבר אפס-סחיפה אופייני (A) ל-ADA4522, המשתמש בטכניקה זו כדי להפחית משמעותית את השפעות שיבושי ה-Glitch (איור 7‏).

איור 7‏: הודות לשיבושי ה-Glitch הקטנים יותר שלו שהם תוצאה של טכניקת קיצוץ מותאמת, ה-ADA4522 מקטין קפיצות מתח (spikes) מטה לרמת רצפת הרעש. (מקור תמונה: Analog Devices)

ממגבר בודד לביצועי מערכת

יישום אפקטיבי של מגברי אפס-סחיפה רחבי-פס דורש שיקול זהיר של סוגיות ברמת-המערכת כמו גם המגבר. הבנה היכן נמצאים הארטיפקטים הנותרים של תדרים בספקטרום התדרים וההשפעה שלהם היא קריטית.

תדר הקיצוץ בדרך כלל, אך לא תמיד, מצוין בגיליון הנתונים. ניתן גם לקבוע אותו על ידי הסתכלות על גרף ספקטרום הרעש. לדוגמה, גיליון הנתונים של ה-ADA4528 מציין במפורש תדר קיצוץ‏ של kHz‏ 200‏. ניתן גם לראות את זה בגרף צפיפות הרעש שלו (איור 8‏).

איור 8‏: מפרט תדר הקיצוץ של kHz‏ 200 המצוין בגליון הנתונים של ADA4528 ‏מקבל חיזוק בגרף צפיפות הרעש של ההתקן. (מקור תמונה: Analog Devices)

גיליון הנתונים של ADA4522 מציין שתדר הקיצוץ הוא 4.8 מגה-הרץ (MHz‏) עם‏ היסט (Offset) וחוג תיקון אדווה העובד ב-kHz‏ 800‏. גרף צפיפות הרעש באיור 9‏ מראה שיאי רעש אלה. יש גם קפיצת‏ רעש ב-6‎ MHz‏ בשל שולי פאזה מופחתים של החוג כשבהגבר יחידה, אך זה לא ייחודי למגברי אפס-סחיפה.

איור 9‏: הגרף של צפיפות הרעש עבור ה-ADA4522 מגלה לא רק את תדר הקיצוץ, אלא גם שיאי רעש נוספים בשל מקורות שונים. (מקור תמונה: Analog Devices)

על המתכננים לזכור שהתדר המצוין בגליון הנתונים הוא מספר אופייני ויכול להשתנות מחלק לחלק. לכן, תכן מערכת הדורש שני מגברים מקוצצים עבור ערוצי אכשור-אות מרובים צריך להשתמש במגבר כפול. זה מכיוון ששני מגברים בודדים יכולים להיות בעלי תדרי קיצוץ שונים במקצת, שבתורם יכולים להשפיע הדדית ולגרום לעיוותי IMD נוספים.

תנאי תכנון נוספים ברמת-מערכת כוללים:

• תאום עכבות כניסה-מקור: שיבושי Glitch של זרם טרנזיינטיים מקיימים אינטראקציה עם עכבת הכניסה-מקור וגורמים לשגיאות מתח הפרשי, פוטנציאלית גורמים לארטיפקטים נוספים בכפולות של תדר הקיצוץ. כדי להקטין למינימום מקור פוטנציאלי זה של שגיאה, יש לתכנן כל כניסה של מגבר קצוץ כך שתראה את אותה העכבה.
• עיוות IMD וארטיפקטים של aliasing:‏ אות כניסה של מגבר קיצוץ יכול להתערבב עם תדר הקיצוץ, f_CHOP, ליצור עיוותי IMD בכפולות הסכום וההפרש שלהם, וההרמוניות שלהן: f_IN ± f_CHOP,‏ f_IN ± 2f_CHOP, ‏2f_IN ± f_CHOP, וכן הלאה.‏ כפולות IMD אלו יכולות להופיע בתחום פס העניין, במיוחד ככל ש-f_IN מתקרב לתדר הקיצוץ. עם זאת, בחירת מגבר אפס-סחיפה עם תדר‏ קיצוץ שהוא גדול בהרבה מרוחב-הפס של אות הכניסה ממזער במידה רבה בעיה זו על ידי הבטחה ש"מפריעים" פוטנציאליים בתדרים שהם קרובים ל-f_CHOP מסוננים לפני דרגת מגבר זו.

ארטיפקטים של קיצוץ יכולים גם כן להיות בלתי מובחנים (aliased) כשדוגמים את יציאת המגבר עם ממיר אנלוגי-לדיגיטלי (ADC). המאפיינים של כפולות IMD אלו תלויים בעוצמות שיבוש glitch ואדווה ויכולים להשתנות מחלק לחלק, כך שלעתים נדרש לכלול מסנני Antialiasing לפני ה-ADC כדי להקטין עיוות IMD זה.

לא באופן מפתיע, סינון הוא קריטי למימוש מלוא הפוטנציאל של מגברי אפס-סחיפה מאחר וסינון הוא הדרך האפקטיבית ביותר לטפל בארטיפקטים תדר-גבוה אלה ברמת המערכת. מסנן מעביר-נמוכים בין מגבר האפס-סחיפה וה-ADC מפחית ארטיפקטים של קיצוץ ומונע Aliasing.

מגברי אפס-סחיפה עם תדרי קיצוץ גבוהים יותר מרפים את הדרישות מה-LPF‏ ומאפשרים רוחב-פס אות רחב יותר. אף על פי כן, יכול להיות שידרש מסנן אקטיבי מסדר גבוה במקום אחד פשוט, בהתאם לכמות הדחייה הנדרשת מחוץ-לפס על ידי המערכת ושרשרת האותות.

לחברת ADI יש משאבים שונים לזרז ולפשט תכנון מסנן, כולל מערך הדרכה של מסנן משוב מרובה ‏(MT-220) וכלי התכנון המקוון מסנן Wizard. ידיעת התדרים בהם מתרחשים ארטיפקטים של קיצוץ אלה תסייע ליצור את המסנן הדרוש (איור 10‏).

איור 10‏: הטבלה מסכמת את סוגי הרעש ומיקומם הספקטרלי עבור מגברי אפס-סחיפה, והיא מדריך שימושי להערכת ‏סוג הסינון הנחוץ והיכן. (מקור תמונה: Analog Devices)

השגת אותה טיפה אחרונה של ביצועים

אחת הסוגיות בהן נתקלים מתכננים כשמשתמשים ברכיבים מעולים כחלק מתכנון מערכת זהיר היא שמקורות שגיאה שיורית הופכות עתה למשמעותיות. מקורות שגיאה שהיו לפני כן לא-רלוונטיים או בלתי נראים עתה מהווים גורם מגביל בהשגת ביצועים ברמה הגבוהה ביותר (אנלוגי להתיבשות נהר בבצורת ותכונות אפיק נהר חדשות מתגלות בפעם הראשונה). במילים אחרות, מקורות שגיאה מסדר-שלישי הופכים להיות הבעיה כשמקורות שגיאה מסדר ראשון ושני ממוזערים או מבוטלים.

לדוגמה, עבור מגברי אפס-סחיפה והערוצים האנלוגיים שלהם, מקור פוטנציאלי אחד של שגיאת היסט (Offset) הוא מתח ה-Seebeck על לוח המעגל. המתח קורה בצומת של שתי מתכות שונות והוא פונקציה של טמפרטורת הצומת. צמתי המתכת הנפוצים ביותר על‏ לוח מעגל הם לחם-לפס מוליך (trace) של לוח ולחם-להדק רכיב.

חשוב על חתך-רוחב של‏ רכיב הרכבה-משטחית מולחם ללוח מעגל מודפס (לוח pc) (איור 11‏). שינוי בטמפרטורה לרוחב הלוח, כמו TA1 שונה מ-TA2, גורם‏ לחוסר התאמה במתחי ה-Seebeck בחיבורי ההלחמה, וכתוצאה מכך לשגיאות מתח תרמיות הפוגעות בביצועי מתח ההיסט האולטרה-נמוך של מגברי האפס-סחיפה.

איור 11: מאחר ומגברי אפס-סחיפה מפחיתים משמעותית את השגיאות שלהם, מקורות פחות נראים כגון אלה הנגרמים על ידי גרדיינטים תרמיים ומתח Seebeck הופכים להיות האתגר ויש לטפל בהם. (מקור תמונה: Analog Devices)

כדי למזער תופעות צמד-תרמי אלו, יש לחבר נגדים באורייטציה מתאימה, כך שמקורות החום השונים יחממו את שתי קצוות הנגדים במידה שווה. היכן שאפשר, מסלול אות הכניסה חייב להכיל מספרים תואמים של סוגים ורכיבים המתאימים למספר ולסוג של צמתי צמד-תרמי. רכיבי דמה, כגון נגדי אפס-אוהם, יכולים לשמש לתאום מקור השגיאה התרמו-אלקטרית (עם נגדים אמיתיים במסלול הכניסה הנגדית). הצבת רכיבים תואמים בקרבה רבה, ובאוריינטציה זהה, תבטיח מתחי Seebeck שווים, ובכך תבטל שגיאות תרמיות.

נוסף לכך, יתכן שיהיה צורך להשתמש בהדקים באורך שווה כדי לשמור על הולכה תרמית בשיווי-משקל. יש לשמור על מקורות החום על הלוח רחוק ככל שהוא פרקטי ממעגל הכניסה של המגבר. זאת ועוד, ניתן להשתמש במשטח הארקה כדי לסייע בפיזור חום ‏ולשמור על טמפרטורה קבועה בכל הלוח, ולהפחית קליטת רעש EMI.

מסקנה

מעגלים-משולבים (ICs‏) אפס-סחיפה של היום מציעים ביצועים מדויקים ויציבים במידה רבה, דבר ההופך אותם לפתרון לאתגר של מעגלי AFE ביישומים של עולם-אמיתי הדורשים דיוק ועקביות בלכידת אותות תדר-נמוך מאוד. הם פותרים את הבעיה ארוכת השנים של הגברה מדויקת של אותות אלו שהם DC או קרובים ל-DC, כמו גם מצבים רבים בהם דרוש גם כן רוחב-פס רחב יותר. על ידי שילוב של שתי הטכניקות הקיימות לבניית מגברים כאלה ב-IC בודד – כלומר, ייצוב מבוסס-קוצץ ואיפוס-עצמי – מתכננים מפיקים תועלת מהמאפיינים החיוביים של כל גישה, שגם ממזערים במידה רבה את הארטיפקטים ואת החסרונות שלהן.