Amplificador Chopper: Amplificación DC de Precisión mediante Modulación de Portadora

Un amplificador chopper (o amplificador estabilizado por chopper) es un amplificador DC especializado que usa conmutación de alta frecuencia (chopping) para convertir una señal de entrada DC a AC, amplificarla con un amplificador acoplado por AC (evitando deriva de DC/ruido 1/f), y luego desmodular sincrónicamente de vuelta a DC. Logra offset a nivel de microvoltios, ruido de nanovolt/√Hz y deriva casi nula — superando ampliamente a los operacionales estándar.

Flujo de Señal

1. Chopper de Entrada (Modulador): Interruptor SPDT (MOSFET/JFET) corta la entrada DC a f_ch (100 Hz – 1 MHz). Salida: onda cuadrada ±V_in.
2. Amplificador AC: Amplificador de alta ganancia, acoplado por AC (capacitivo o transformador). Sin preocupaciones de offset/deriva de DC. Ancho de banda centrado en f_ch.
3. Chopper de Salida (Desmodulador): Interruptor síncrono (mismo reloj) rectifica el AC amplificado de vuelta a DC.
4. Filtro Pasa Bajos: Elimina la ondulación f_ch → salida DC limpia.

Por qué Funciona: Vencer el Ruido 1/f y la Deriva

• Operacional Estándar: La esquina de ruido 1/f ~10–1000 Hz. El offset de DC deriva con temperatura/tiempo (µV/°C, µV/mes).
• Chopper: La señal se modula a f_ch ≫ esquina 1/f. El amplificador ve solo ruido blanco. La desmodulación pliega el ruido blanco de vuelta a banda base, pero el ruido 1/f del amplificador principal se convierte a f_ch y se filtra.
• Cancelación de Offset: Cualquier offset de DC en el amplificador principal aparece como componente f_ch en la entrada del desmodulador → filtrado.

Especificaciones de Rendimiento Clave (Tipico Chopper Moderno: LTC2057, ADA4528, OPA333, MCP6V01)

Arquitecturas

• Chopper Clásico: Modulador/desmodulador separados. Grande, discreto.
• Estabilizado por Chopper (Auto-Cero + Chopper): Amplificador principal (siempre encendido) + amplificador nulo (choppeado) corrige el offset del principal. Corrección continua. Estándar en ICs monolíticos modernos.
• Solo Auto-Cero: Muestra el offset en un capacitor, lo resta. Sin portadora. f_ch más bajo (~1–10 kHz). Mayor residuo 1/f.

Aplicaciones

• Instrumentación: Celda de carga, extensómetros, sensores de puente (señales µV).
• Biomédico: ECG, EEG, EMG, bio potenciales (µV–mV, alta Z_in).
• Metrología de Precisión: Frente de DMM de 7.5 dígitos, estándares de calibración.
• Compensación de Junta Fría de Termopar.
• Monitoreo de Shunt de Corriente: Lado alto, V_drop bajo (mV).
• Controlador / Buffer de ADC: Para ADCs ΣΔ (LTC24xx, AD717x) — ruido de chopper < ruido del ADC.

Compensaciones y Consideraciones de Diseño

• Artefactos de Chopeo: Inyección de carga → glitches en f_ch. Filtro de salida crítico. Los amplificadores modernos lo minimizan.
• Picos de Corriente de Polarización de Entrada: En los bordes de choppeo. Use filtro de entrada (R||C) si la Z de la fuente es alta.
• Aliasing: Las señales cercanas a f_ch se pliegan a banda base. Asegure que el ancho de banda de la señal ≪ f_ch/2.
• Ancho de Banda: Típicamente ≤ 1–5 MHz (GBW). No para banda ancha.
• Costo: 2–10× operacional de precisión estándar.

Resumen

Los amplificadores chopper son el estándar de oro para precisión DC. Al modular DC a AC, amplificar en una banda amigable con el ruido y desmodular sincrónicamente, logran offset sub-µV, deriva casi nula y excepcional rechazo de ruido 1/f. Esenciales para medición de alta resolución, interfaces de sensores y metrología.