연산 증폭기의 가장 중요한 사양 중 하나는 입력 오프셋 전압이다. 대다수 연산 증폭기에서 이 전압을 제거할 수 있지만 입력 오프셋 전압을 판단할 때 문제점이 발생한다. 왜냐하면 온도, 플리커(Flicker) 잡음, 장시간 드리프트 등에 따라 오프셋 전압이 변화하기 때문이다.
이로 인해 수년 동안 초핑 및 오토제로 기법이 이용되어 왔다. 이 기법은 달성 가능한 입력 오프셋을 μV 미만으로 감소시킴으로써 정확도가 매우 우수하다. 따라서 구리 솔더 열전쌍 접합과 같은 기타 미미한 효과들이 오차의 대부분을 차지하며, 일부 작업으로 그러한 문제들 역시 극복이 가능하다. 이 디자인 아이디어에서는 새로운 유형의 초핑에 대해 설명하고자 한다. ‘잡음 게인 초핑(Chopping the Noise Gain)’은 실시간으로 오프셋 전압을 측정하기 위한 간단한 방법이므로 이를 제거하고 DC 정밀도를 향상시킬 수 있다.
그림 1은 10게인 반전 구성의 LTC6240HV 연산 증폭기와 몇 가지 관련 사양에 대해 보여준다. 모든 입력 오프셋은 출력 오차로서 11게인(잡음 게인이라고 함)으로 도달한다. 출력 전압을 감시하는 어떠한 하위 회로나 감시기는 출력 오차와 원하는 출력 신호를 구분하지 못한다.
그림 2는 잡음 게인 초핑 기법을 보여준다. S1이 추가적인 션트 저항 R3을 인 및 아웃으로 스위칭해서 신호 게인이나 대역폭에 영향을 미치지 않으면서 잡음 게인을 변화시킨다. 일반적으로 약간의 대역폭 저하가 있을 수 있으나 스위치가 개방되든 폐쇄되든 C1이 대역폭 한계의 대부분을 차지한다. 그러면 출력으로 현재 DC 오차와 동일한 진폭의 작은 방형파가 가해진다. 기존 초퍼(Chopper)에서처럼 오차를 복조하거나 아니면 첨단 ADC 기반 시스템으로 소프트웨어를 이용해서 차감할 수 있다.
그림 2의 회로는 단순한 합산 증폭기(Summing Amplifier)와 같은 것으로서 입력이 연결되고 차단된다. 이러한 점에서 트루 초퍼 증폭기와 매우 유사하다. 하지만 이 경우에서는 초핑되는 입력 전압이 입력 신호가 아니라 증폭기 오프셋이다. 그러므로 입력 신호를 차단할 필요가 없다. 뿐만 아니라 연속적인 초핑의 필요성이 없다. 오프셋 측정이 필요할 때만 이를 적용하면 된다.
여기에서는 이해하기 쉽도록 반전 예를 보여주고 있지만 비반전 사례 역시 S1을 위해 우수한 아날로그 스위치를 이용해서 실제적으로 가능하다. 뿐만 아니라 여타 샘플링 시스템과 마찬가지로 클럭 레이트와 동일하거나 그보다 높은 주파수는 기저대로 에일리어스된다. 따라서 초핑에 앞서 이를 여과해야 한다. 마지막으로 이 기법은 바이어스 또는 누설 전류로 인한 오차를 교정하지 않는다.
스위치 S1이 개방 및 폐쇄됨으로써 11 및 22로 잡음 게인이 증가하게 되고 11 및 22의 교차(Alternating) 잡음 게인 출력으로 입력 오차를 임포즈한다. 이 결과 방형파(Square Wave)는 편리하게 측정 가능한 ‘11’ 오차를 나타내며, 그 다음 이를 출력에서 차감할 수 있다. 이 기법은 기존 초퍼 증폭기와 유사하다. 다만 신호가 아니라 오차를 초핑한다는 점이 다르다.
그림 3은 그림 2 회로의 출력 오실로그램을 보여주는 것으로서 입력 전압이 0V(접지)이다. 상단 트레이스는 750Hz로 S1에 적용되는 제어 신호로서 ‘S’이다. 하단 트레이스는 1mV와 2mV로 교차하는 출력 오차로서 90μV의 연산 증폭기 오프셋을 나타낸다. 그러면 출력에서 출력 오프셋의 잡음 게인이 두 배로 높아지는 현상이 발생한다. 2개 잡음 게인 사이의 차이는 11이며, 이 차이는 입력 전압에 상관없이 S1이 발생시키는 방형파의 진폭을 나타낸다.
그림 4는 그림 3과 비슷하지만 축소된 것으로서 입력 전압에서 2mV-p-p의 느리게 변화하는 사인파 신호를 이용해서 20mV-p-p 출력을 제공한다. 그림 3의 1mV 방형파가 느리게 변화하는 출력 신호로 수퍼임포즈 되는데, 이때 실시간 DC 오차 정보를 포함한다. 출력을 보기만 해도 신호의 실제 값이 측정된 값보다 1mV 낮다는 것을 알 수 있다.
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Figure 1, Figure 2, Figure 3, Figure 4
