Um amplificador chopper (ou amplificador chopper-estabilizado) é um amplificador DC especializado que usa chaveamento alta frequência (chopping) para converter sinal entrada DC em AC, amplificá-lo com amplificador acoplado AC (evitando deriva DC/ruído 1/f), então desmodular síncronamente de volta para DC. Alcança offset nível microvolt, ruído nanovolt/√Hz, deriva near-zero — superando amplificadores operacionais padrão.
Fluxo Sinal
- Chopper Entrada (Modulador): Chave SPDT (MOSFET/JFET) pica sinal DC em fch (100 Hz – 1 MHz). Saída: onda quadrada ±Vin.
- Amplificador AC: Alto ganho, acoplado AC (capacitivo ou transformador). Sem preocupações offset/deriva DC. Banda centrada em fch.
- Chopper Saída (Desmodulador): Chave síncrona (mesmo clock) retifica AC amplificado de volta DC.
- Filtro Passa-Baixa: Remove ripple fch → saída DC limpa.
Por Que Funciona: Batendo Ruído 1/f & Deriva
- Amp-Op Padrão: Canto ruído 1/f ~10–1000 Hz. Offset DC deriva com temp/tempo (µV/°C, µV/mês).
- Chopper: Sinal modulado para fch ≫ canto 1/f. Amplificador vê apenas ruído branco. Desmodulação dobra ruído branco de volta baseband, mas ruído 1/f do amp principal é up-convertido para fch e filtrado fora.
- Cancelamento Offset: Qualquer offset DC no amp principal aparece como componente fch na entrada desmodulador → filtrado fora.
Specs Performance Chave (Chopper Moderno Típico: LTC2057, ADA4528, OPA333, MCP6V01)
| Parâmetro | Chopper Amp | Bipolar Precisão (ex. OP07) | JFET (ex. OPA827) |
|---|
| Vos (Máx) | 1–5 µV | 25–75 µV | 100–500 µV |
| TCVos (µV/°C) | 0,01–0,05 | 0,3–0,6 | 1–5 |
| Ruído 0,1–10 Hz | 30–100 nVpp | 300–600 nVpp | 500–1000 nVpp |
| Deriva Longo Prazo | < 0,1 µV/1000h | 1–2 µV/1000h | 5–10 µV/1000h |
| Ib | 10–100 pA | 0,5–2 nA | 1–10 pA |
Arquiteturas
- Chopper Clássico: Chaves modulador/desmodulador separadas. Grande, discreto.
- Chopper-Estabilizado (Auto-Zero + Chopper): Amp principal (sempre ligado) + amp nulificador (chopped) corrige offset amp principal. Correção contínua. Padrão em CIs monolíticos modernos.
- Auto-Zero Only: Amostra offset em capacitor, subtrai. Sem portadora. fch menor (~1–10 kHz). 1/f residual maior.
Aplicações
- Instrumentação: Extensômetro, célula carga, sensores ponte (µV sinais).
- Biomédico: ECG, EEG, EMG, biopotencial (µV–mV, alta Zin).
- Metrologia Precisão: Front-end DMM 7,5 dígitos, padrões calibração.
- Compensação Junção Fria Termopar.
- Monitoramento Shunt Corrente: High-side, baixo Vdrop (mV).
- Driver/Buffer ADC: Para ADCs ΣΔ (LTC24xx, AD717x) — ruído chopper < ruído ADC.
Trade-offs & Considerações Projeto
- Artefatos Chopping: Injeção carga → glitches em fch. Filtro saída crítico. Amps modernos minimizam.
- Picos Corrente Polarização Entrada: Nas bordas chopping. Use filtro entrada (R||C) se Z fonte alta.
- Aliasing: Sinais perto fch dobram para baseband. Garanta BW sinal ≪ fch/2.
- Largura Banda: Tipicamente ≤ 1–5 MHz (GBW). Não para larga banda.
- Custo: 2–10× amp-op precisão padrão.
Resumo
Amplificadores chopper são o padrão ouro para precisão DC. Modulando DC para AC, amplificando em banda amigável ruído, e desmodulando síncronamente, alcançam offset sub-µV, deriva near-zero, rejeição excepcional ruído 1/f. Essenciais para medição alta resolução, interfaces sensores, metrologia.
