Wzmacniacze operacyjne zero-drift zapewniają jakość metrologiczną w aplikacjach przemysłowych

Krytycznym elementem w obwodzie kondycjonowania sygnału jest wzmacniacz operacyjny używany do współpracy z czujnikiem pomiarowym i do wzmocnienia jego sygnału wyjściowego. Standardowe wzmacniacze operacyjne są podatne na zmiany temperatury oraz mają ograniczoną precyzję i dokładność. Dlatego, aby spełnić wymagania aplikacji przemysłowych, projektanci muszą przewidzieć w nich jakąś formę kalibracji. Problem polega na tym, że implementacja układowa takiego obwodu może być skomplikowana i zwiększa zużycie energii oraz zajętość miejsca na płytce. Dodatkowe elementy zwiększają też koszty i czas projektowania.

W tym artykule przedstawiono przegląd zagadnień projektowych związanych z kondycjonowaniem sygnału analogowego w zastosowaniach przemysłowych na przykładach produktów firmy ON Semiconductor. Zaprezentowane zostaną właściwości elementów o zerowym dryfcie w kontekście zapewnienia dużych współczynników tłumienia sygnału wspólnego (CMRR), tłumienia zasilania (PSRR) i wzmocnienia w otwartej pętli.

Kondycjonowanie sygnałów w aplikacjach przemysłowych

W systemach przemysłowych często stosowane są czujniki prądu i czujniki o małej wartości sygnału wyjściowego, na przykład termopary. Ze względu na bardzo małe wyjściowe sygnały różnicowe związane z tymi obwodami projektanci potrzebują wzmacniaczy operacyjnych o dużej dokładności.

Pomiar prądu o małej wartości jest wykorzystywany do wykrywania warunków przeciążenia maszyn oraz realizacji pętli sprzężenia zwrotnego (rys. 1). Rezystor pomiarowy o małej wartości (<100 mΩ) jest umieszczany szeregowo z obciążeniem w linii masy. Mała oporność zmniejsza straty mocy, ale przez to użyteczny sygnał pomiarowy jest niewielki. W takim układzie niezbędny jest precyzyjny wzmacniacz operacyjny z zerowym off setem. Jego wzmocnienie jest ustawiane przez zewnętrzne precyzyjne rezystory R1, R2, R3 i R4 (gdzie R1 = R2, R3 = R4). Wartość wzmocnienia dobiera się tak, aby wykorzystać pełny zakres konwersji przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC) i tym samym uzyskać najwyższą rozdzielczość pomiarów.

 

Rys. 1. Pomiar prądu w obwodzie masy z użyciem rezystora czujnikowego, wzmacniacza i przetwornika ADC

 

Rys. 2. Precyzyjne wzmacniacze operacyjne są często używane razem z mostkiem Wheatstone’a do wzmacniania sygnału z czujników naprężenia, ciśnienia i temperatury przed konwersją przez przetwornik ADC

Czujniki używane do pomiaru odkształcenia, ciśnienia i temperatury w systemach przemysłowych i oprzyrządowaniu często działają w konfiguracji mostka Wheatstone'a (rys. 2). Niewielka zmiana napięcia wyjściowego w takim obwodzie musi zostać wzmocniona przed konwersją przez ADC. Do tego celu używa się precyzyjnych wzmacniaczy operacyjnych o zerowym dryfcie, ze względu na ich duże wzmocnienie, mały poziom szumów i napięcia off setu.

Kluczowe parametry precyzyjnych wzmacniaczy operacyjnych

Napięcie off setu i jego dryf, podatność na zakłócenia i wzmocnienie w otwartej pętli to kluczowe parametry, które ograniczają wydajność wzmacniacza operacyjnego w aplikacjach pomiaru prądu i obwodach wejściowych czujników (tabela 1).

Wejściowe napięcie wejściowe off setu (oznaczane jako V_OS lub V_IO w zależności od producenta) pochodzi z niedoskonałości procesu półprzewodnikowego, które powodują powstanie resztkowego napięcia różnicowego między końcówkami V_IN+ i V_IN– układu. Jest to zmiana dotycząca poszczególnych egzemplarzy podzespołów, która może też zmieniać się wraz z temperaturą i może być dodatnia lub ujemna, co niestety utrudnia kalibrację. Wysiłki projektantów mające na celu zmniejszenie off setu lub dryfu w standardowych wzmacniaczach operacyjnych nie tylko zwiększają złożoność układową, ale w niektórych przypadkach mogą powodować zwiększony pobór mocy.

 

Rys. 3. Pomiar prądu za pomocą wzmacniacza operacyjnego w konfiguracji wzmacniacza różnicowego. Małe napięcie offsetu w tej aplikacji jest krytyczne, ponieważ jest ono wzmacniane i powoduje większy błąd na wyjściu

Rozważmy na przykład pomiar (detekcję) prądu za pomocą wzmacniacza operacyjnego w konfiguracji wzmacniacza różnicowego jak na rysunku 3.

Napięcie wyjściowe jest sumą wzmocnionego sygnału użytecznego (V_SENSE) i wzmocnionego napięcia off setu (V_OS):

Wejściowe napięcie off setu jest także wzmacniane i powoduje powstanie proporcjonalnie większego błędu pochodzącego od off setu na wyjściu. Obie składowe na dodatek się sumują, co prowadzi do błędów pomiarowych. Precyzyjne wzmacniacze operacyjne mają zminimalizowaną wartość napięcia przesunięcia za pomocą różnych technik i dotyczy to szczególnie sygnałów o niskiej częstotliwości i stałoprądowych. Dzięki temu w układach zero-drift napięcie off setu może być o ponad dwa rzędy wielkości niższe w porównaniu do wzmacniaczy operacyjnych ogólnego przeznaczenia (tabela 2).

Wzmacniacze operacyjne zero-drift

Dzięki lepszym parametrom wersji zero-drift projektanci mogą spełnić surowsze wymagania dotyczące kondycjonowania sygnału w zastosowaniach przemysłowych. Dwa przykłady takich wzmacniaczy operacyjnych to NCS325SN2T1G i NCS333ASN2T1G firmy ON Semiconductor. Pierwszy ma napięcie off setu 50 μV przy dryfie temperaturowym 0,25 μV/°C, a NCS333ASN2T1G nawet 10 μV przy dryfie 0,07 μV/°C. Rezultaty te wynikają z użycia różnej architektury wewnętrznej.

NCS333ASN2T1G wykorzystuje stabilizację za pomocą przetwarzania typu chopper. W tym rozwiązaniu wejściowe napięcie stałe jest zamieniane na przemienne poprzez kluczowanie, potem wzmacniane, filtrowane i następnie prostowane. Wzmacnianie dotyczy napięcia przemiennego, co minimalizuje napięcie off setu, zapobiega jego wzmocnieniu i dryft u temperaturowego, bo nie są one przenoszone na wyjście (rys. 4). Niemniej w omawianym rozwiązaniu, w przeciwieństwie do klasycznej architektury chopper, są dwie ścieżki sygnałowe.

 

Rys. 4. NCS333ASN2T1G realizuje dwie ścieżki sygnałowe: dolna wykorzystuje przetwarzanie sygnału typu chopper po to, aby skorygować wyjściowe napięcie offsetu w klasycznie zrealizowanej ścieżce górnej

Na rysunku 4 dolna ścieżka sygnału to obwód, w którym element kluczujący (chopper) próbkuje wejściowe napięcie off setu, które jest następnie wykorzystywane do korygowania jego wartości na wyjściu. Przetwarzanie (kluczowanie) działa z częstotliwością 125 kHz, zatem najlepsza wydajność korekcji jest zapewniana przy częstotliwościach do 1/2 tej wartości, tj. 62,5 kHz. Inaczej może wystąpić aliasing, który jest problemem i nieodłącznym ograniczeniem dla wszystkich rozwiązań wzmacniaczy z kluczowaniem i przetwarzaniem sygnału.

Niemniej NCS333ASN2T1G w zakresie do 125 kHz zapewnia praktyczny brak problemów z aliasingiem, a do 190 kHz jedynie małe oddziaływanie. Jest to efekt opatentowanego rozwiązania zastosowanego przez ON Semiconductor wykorzystującego w torze wzmocnienia z przetwarzaniem dwa kaskadowe, symetryczne filtry RC pasmowo-zaporowe dostrojone do częstotliwości kluczowania i jego piątej harmonicznej w celu zmniejszenia efektów nakładania się widm.

Automatyczne zerowanie

Innym podejściem do realizacji układowej wzmacniaczy operacyjnych z zerowym off setem jest automatyczne zerowanie (rys. 5). Taka konstrukcja składa się z głównego wzmacniacza i dodatkowego elementu zerującego. Wykorzystuje ono również system z przetwarzaniem. W pierwszej fazie przełączane kondensatory utrzymują błąd przesunięcia z poprzedniej fazy na wyjściu wzmacniacza zerującego. W drugiej fazie off set z wyjścia wzmacniacza zerującego jest wykorzystywany do skorygowania off setu wzmacniacza głównego. W oparciu o tę koncepcję działa NCS325SN2T1G firmy ON Semiconductor.

 

Rys. 5. Uproszczony schemat blokowy wzmacniacza operacyjnego z funkcją automatycznego zerowania

Oprócz różnic między NCS333ASN2T1G (architektura z kluczowaniem i przetwarzaniem) i NCS325SN2T1G (architektura z autozerowaniem) pod względem wartości napięcia offsetu i dryft u, architektury układowe powodują różnice we wzmocnieniu w otwartej pętli, poziomu szumów i podatności na aliasing.

NCS333ASN2T1G ma wzmocnienie napięciowe w otwartej pętli 145 dB, podczas gdy NCS325SN2T1G 114 dB. W zakresie parametrów szumowych NCS333- ASN2T1G ma CMRR 111 dB i PSRR 130 dB, podczas gdy NCS325SN2T1G ma CMRR 108 dB i PSRR 107 dB. Wynika z tego, że pod kątem parametrów NCS333ASN2T1G przewyższa NCS-325SN2T1G.

Wzmacniacze operacyjne z serii NCS- 333ASN2T1G również zapewniają minimalny aliasing. Jest to zasługa użycia dwóch symetrycznych kaskadowych filtrów pasmowo-zaporowych RC dostrojonych do częstotliwości kluczowania układu przetwarzającego i jego piątej harmonicznej. Teoretycznie architektura z autozerowaniem powinna mieć gorsze parametry w zakresie aliasingu niż z kluczowaniem i przetwarzaniem. Ale w rzeczywistości te niepożądane efekty mogą się znacznie różnić i nie zawsze są widoczne w aplikacji. Projektant musi rozumieć i uwzględnić to w projekcie, bo aliasing nie jest wadą wzmacniaczy próbkujących, ale cechą charakterystyczną.

Wreszcie, wzmacniacze operacyjne mają różną podatność na zaburzenia elektromagnetyczne. Złącza półprzewodnikowe mogą detekować sygnały RF, a indukowane w ścieżkach i pinach napięcia mogą wywołać dodatkowy off set na wyjściu i jeszcze bardziej zwiększyć błędy przetwarzania. Piny wejściowe są naturalnie najbardziej wrażliwe na takie zakłócenia. Dlatego we wzmacniaczu operacyjnym NCS333ASN2T1G zintegrowano filtry dolnoprzepustowe w celu zmniejszenia podatności na EMI.

Znaczenie projektu płytki

 

Rys. 6. Zwykły rezystor bocznikowy dwukońcówkowy użyty do pomiaru prądu z zaznaczonymi rezystancjami połączeń, które wpływają na wynik pomiaru (R_Lead i R_Sense)

Aby uzyskać deklarowane przez producenta parametry wzmacniaczy operacyjnych, projektanci muszą przestrzegać dobrych praktyk projektowania płytek drukowanych. Precyzyjne wzmacniacze operacyjne charakteryzują się dużą czułością, stąd ważne jest umieszczenie kondensatorów odsprzęgających 0,1 μF jak najbliżej końcówek zasilania. Ścieżki doprowadzające sygnał z czujnika do wejść powinny mieć taką samą długość i szerokość i być możliwie jak najkrótsze. Dla sensora prądu wzmacniacz operacyjny i rezystor bocznikowy powinny znajdować się po tej samej stronie płytki, a do zastosowań, które wymagają najwyższego poziomu dokładności, należy stosować rezystory bocznikowe czterozaciskowe, zwane również bocznikami Kelvina. Razem takie techniki projektowe zmniejszają podatność na zakłócenia elektromagnetyczne i poprawiają dokładność, bo inaczej w obwodzie pojawi się pasożytnicza rezystancja, która zwiększy uchyb (rys. 6).

Na dokładność mogą też mieć wpływ zależne od temperatury zmiany napięcia na zaciskach wejściowych wywołane efektem termoelektrycznym. Aby je zminimalizować, projektanci powinni używać do połączeń metali o podobnych współczynnikach termoelektrycznych i zapobiegać powstawaniu różnicy temperatur np. na skutek działania wentylatorów.

Wniosek

Potrzeba precyzyjnego i dokładnego kondycjonowania sygnału analogowego w szeregu zastosowań przemysłowych Rys. 5. Uproszczony schemat blokowy wzmacniacza operacyjnego z funkcją automatycznego zerowania nieustannie się zwiększa. Wzmacniacze operacyjne są krytycznymi komponentami w obwodach kondycjonowania sygnału, ale do niedawna projektanci musieli zapewnić ich autokalibrację i stosować inne techniki, aby zapewnić stabilność w czasie i temperaturze, co zwiększało złożoność, koszty i podnosiło zużycie energii.

Na szczęście projektanci mogą skorzystać z wydajnych wzmacniaczy o zerowym off secie, z autokalibracją, bardzo małym napięciu off setu i prawie zerowym dryft em w czasie i funkcji temperatury. Takie elementy charakteryzują się niskim poborem mocy w szerokim zakresie dynamicznym, dużym współczynnikiem CMRR i PSRR oraz wzmocnieniem w otwartej pętli – wszystkie te kluczowe cechy są bardzo istotne w zastosowaniach przemysłowych.

Rolf Horn, Digi-Key Electronics

Digi-Key Electronics
https://www.digikey.pl/