Cum să utilizați amplificatoarele operaționale cu abatere zero pentru controlul precis, exact și cu consum redus de energie al sistemelor industriale

În timp ce tot mai multe sisteme industriale trec de la controlul mecanic la cel electronic, producătorii încep să descopere avantaje atât pentru calitatea produselor, cât și pentru siguranța lucrătorilor; cea din urmă fiind datorată în principal faptului că lucrătorii sunt mai bine protejați în mediile solicitante. Totuși, chiar aceste medii solicitante, în care există temperaturi extreme, precum și zgomot electric și interferențe electromagnetice (EMI), transformă condiționarea semnalelor într-un aspect atât de critic pentru menținerea stabilității și sensibilității circuitului, necesare pentru control fiabil, precis și exact asupra duratei de funcționare a utilajelor industriale.

O componentă esențială în lanțul de condiționare a semnalelor este amplificatorul operațional, un amplificator diferențial c.c. cu amplificare puternică, utilizat pentru capturarea și amplificarea semnalelor necesare. Amplificatoarele operaționale standard sunt susceptibile la abaterea temperaturilor și au precizie și acuratețe limitate; așadar, pentru a îndeplini cerințele industriale, proiectanții adaugă o anumită formă de calibrare automată la nivel de sistem. Problema este că implementarea acestei funcții de calibrare poate fi complexă și că vine cu un consum ridicat de energie. De asemenea, necesită mai mult spațiu pe placă și crește costurile și timpul necesar pentru proiectare.

Acest articol va revizui cerințele de condiționare a semnalelor din aplicațiile industriale și aspectele pe care trebuie să le ia proiectanții în calcul. Apoi va prezenta soluții cu amplificatoare operaționale cu abatere zero și performanță ridicată de la ON Semiconductor și va arăta de ce și cum se folosesc acestea pentru a îndeplini cerințele de condiționare a semnalelor la nivel industrial. Se vor examina și alte caracteristici relevante ale acestor dispozitive, precum rapoartele ridicate de rejecție a modului comun (CMRR), rapoartele ridicate de rejecție a sursei de alimentare (PSRR) și amplificarea ridicată în buclă deschisă.

Aplicații industriale de condiționare a semnalelor

În sistemele industriale se folosesc des interfețe de senzori și de detectare a curentului low-side. Datorită semnalelor diferențiale foarte mici asociate cu aceste circuite, proiectanții au nevoie de amplificatoare operaționale de acuratețe ridicată.

Detectarea curentului low-side se folosește pentru a detecta condițiile de supracurent și se folosește de multe ori în controlul feedbackului (Figura 1). O rezistență de detectare de valoare scăzută (<100 miliohmi (mΩ)) se instalează în serie, cu sarcina legată la masă. Valoarea redusă a rezistenței reduce pierderile de energie și căldura generată, dar rezultă într-o scădere la fel de mică a tensiunii. Pentru amplificarea scăderii tensiunii în rezistența de detectare se poate utiliza un amplificator operațional de precizie cu abatere zero, cu o amplificare stabilită de rezistențele externe R1, R2, R3 și R4 (unde R1 = R2, R3 = R4). Rezistențele de precizie sunt necesare pentru acuratețe ridicată, iar amplificarea este setată pentru a utiliza scala completă a convertorului analog-digital (ADC) pentru cea mai mare rezoluție.

Figura 1: detectarea curentului low-side care arată interfața amplificatorului operațional între rezistența de detectare și ADC. (Sursă imagine: ON Semiconductor)

Senzorii utilizați pentru măsurarea solicitării, presiunii și temperaturii în sistemele industriale și de instrumentație sunt deseori configurate într-o configurație cu punte Wheatstone (Figura 2). Schimbarea tensiunii senzorului care asigură măsurătoarea poate fi destul de mică și trebuie să fie amplificată înainte de a intra în ADC. Amplificatoarele operaționale de precizie cu abatere zero sunt utilizate des în aceste aplicații, datorită amplificărilor ridicate, zgomotului redus și tensiunilor de decalare scăzute ale acestora.

Figura 2: amplificatoarele operaționale de precizie sunt deseori utilizate cu punți Wheatstone pentru a amplifica semnalul de la senzori pentru solicitare, presiune și temperatură, înainte de a trimite semnalul respectiv la un ADC. (Sursă imagine: ON Semiconductor)

Parametrii cheie ai amplificatoarelor operaționale de precizie

Tensiunea de decalaj, abaterea tensiunii de decalaj, susceptibilitatea la zgomot și amplificarea tensiunii în buclă deschisă sunt parametri cheie care limitează performanța amplificatorului operațional în aplicațiile de detectare a curentului și de interfață a senzorului (Tabelul 1).

Tabelul 1: parametrii cheie pentru amplificatoarele operaționale de precizie care afectează acuratețea și precizia. (Sursă imagine: ON Semiconductor)

Tensiunea de decalaj la intrare (indicată de V_OS sau V_IO, în funcție de producător) derivă din imperfecțiunile procesului de producție a semiconductoarelor, ce cauzează o tensiune diferențială între V_IN+ și V_IN-. Este o variație de la o piesă la alta care poate cauza abaterea temperaturii și care poate fi pozitivă sau negativă, ceea ce o face dificil de calibrat. Eforturile proiectanților de a reduce decalajul sau abaterea la amplificatoarele operaționale standard nu doar că adaugă complexitate, dar, în unele cazuri, poate duce la un consum crescut de curent.

De exemplu, luați în considerare detectarea curentului cu un amplificator operațional într-o configurație cu amplificator diferențial (Figura 3).

Figura 3: detectarea curentului cu un amplificator operațional într-o configurație cu amplificator diferențial. Tensiunea de decalaj redusă este esențială deoarece tensiunea de decalaj la intrare este amplificată de amplificarea zgomotului, creând o eroare de decalaj la ieșire (notată ca „Eroare cauzată de V_OS”). (Sursă imagine: ON Semiconductor)

Tensiunea de ieșire reprezintă suma dintre termenul de amplificare a semnalelor (V_SENSE) și termenul de amplificare a zgomotului (V_OS), după cum se arată în Ecuația 1:

 Ecuația 1

Fiind un parametru intern al amplificatorului operațional, tensiunea de decalaj la intrare este înmulțită cu amplificarea zgomotului, nu cu amplificarea semnalului, rezultând într-o eroare de decalaj la ieșire („Eroare cauzată de V_OS” în Figura 2). Amplificatoarele operaționale de precizie minimizează tensiunea de decalaj cât mai mult posibil, folosind diferite tehnici. În amplificatoarele operaționale cu abatere zero, acest lucru se aplică în special pentru semnalele de frecvență redusă și c.c. Tensiunea de decalaj a amplificatoarelor operaționale de precizie cu abatere zero poate fi cu peste două ordine de magnitudine mai mică decât în cazul amplificatoarelor operaționale de uz universal (Tabelul 2).

Tabelul 2: într-o comparație a tensiunii maxime de decalaj a amplificatoarelor operaționale de uz universal selectate și a amplificatoarelor operaționale cu abatere zero stabilizate cu întrerupător periodic, tensiunea de decalaj a amplificatoarelor operaționale de precizie cu abatere zero poate fi cu peste două ordine de magnitudine mai mică. (Sursă imagine: ON Semiconductor)

Amplificatoare operaționale cu abatere zero

Datorită performanței lor îmbunătățite, proiectanții pot respecta cerințele de condiționare a semnalelor pentru aplicațiile industriale care folosesc amplificatoare operaționale cu abatere zero. Două exemple de amplificatoare operaționale cu abatere zero care oferă niveluri diferite de performanță sunt NCS325SN2T1G și NCS333ASN2T1G de la ON Semiconductor. Proiectanții pot utiliza dispozitivul NCS325SN2T1G pentru aplicații de precizie care pot beneficia de un decalaj de 50 microvolți (µV) și o abatere de 0,25 µV/°C, în timp ce familia NCS333ASN2T1G este potrivită pentru cele mai solicitante aplicații de precizie ridicată, asigurând un decalaj de 10 µV și o abatere de numai 0,07 µV/°C. Aceste două amplificatoare operaționale obțin abatere zero folosind arhitecturi interne diferite.

NCS333ASN2T1G utilizează o arhitectură stabilizată cu întrerupător periodic, care oferă avantajul de minimizare a abaterii tensiunii de decalaj în funcție de temperatură și în timp (Figura 4). Comparativ cu arhitectura clasică cu întrerupător periodic, arhitectura cu stabilizare cu întrerupător periodic are două trasee de semnal.

Figura 4: NCS333ASN2T1G are două trasee de semnal: al doilea traseu (partea de jos) eșantionează tensiunea de decalaj de la intrare, care se folosește pentru a corecta decalajul de la ieșire. (Sursă imagine: ON Semiconductor)

În Figura 4, traseul semnalului inferior este locul în care întrerupătorul periodic eșantionează tensiunea de decalaj la intrare, care se utilizează apoi pentru corectarea decalajului la ieșire. Corecția decalajului are loc la o frecvență de 125 kilohertzi (kHz). Arhitectura stabilizată cu întrerupător periodic este optimizată pentru cea mai bună performanță la frecvențe care ajung până la frecvența Nyquist asociată (1/2 din frecvența de corectare a decalajului). Atunci când frecvența semnalelor depășește frecvența Nyquist, 62,5 kHz, la ieșire poate apărea fenomenul de aliasing. Aceasta este o limitare inerentă a tuturor arhitecturilor cu întrerupător periodic și a celor stabilizate cu întrerupător periodic.

Oricum, amplificatorul operațional NCS333ASN2T1G înregistrează aliasing minim până la 125 kHz, și aliasing redus până la 190 kHz. Abordarea brevetată ON Semiconductor utilizează două filtre oprește-bandă în cascadă, simetrice și cu rezistență-condensator (RC), care sunt acordate la frecvența întrerupătorului periodic și la a cincea armonică a acestuia, pentru a reduce efectele de aliasing.

Arhitectură cu aducere automată la zero

O altă abordare a amplificatoarelor operaționale cu abatere zero este arhitectura cu aducere automată la zero (Figura 5). Designul cu aducere automată la zero are un amplificator principal și un amplificator de anulare. De asemenea, utilizează un sistem cu ceas. În prima fază, condensatoarele comutate mențin eroarea decalajului din faza anterioară la ieșirea amplificatorului de anulare. În a doua fază, se utilizează decalajul de la ieșirea amplificatorului de anulare pentru a corecta decalajul amplificatorului principal. NCS325SN2T1G de la ON Semiconductor este conceput pe baza arhitecturii cu aducere automată la zero.

Figura 5: schemă-bloc simplificată a unui amplificator operațional cu aducere automată la zero, precum NCS325SN2T1G, care arată condensatoarele comutate. (Sursă imagine: ON Semiconductor)

Pe lângă diferențele dintre NCS333ASN2T1G (arhitectură stabilizată cu întrerupător periodic) și NCS325SN2T1G (arhitectură cu aducere automată la zero) în ceea ce privește tensiunea de decalaj și abaterea descrise mai sus, diferitele arhitecturi produc diferențe la amplificarea tensiunii în buclă deschisă, performanța zgomotului și susceptibilitatea la aliasing. NCS333ASN2T1G are o amplificare a tensiunii în buclă deschisă de 145 decibeli (dB), în timp ce NCS325SN2T1G are o amplificare a tensiunii în buclă deschisă de 114 dB. Luând zgomotul în calcul, NCS333ASN2T1G are CMRR de 111 dB și PSRR de 130 dB, în timp ce NCS325SN2T1G are CMRR de 108 dB și PSRR de 107 dB. Ambele au evaluări foarte bune, dar NCS333ASN2T1G depășește NCS325SN2T1G în ceea ce privește performanța.

Și amplificatoarele operaționale din seria NCS333ASN2T1G au aliasing minim. Acest lucru se datorează abordării brevetate ON Semiconductor cu utilizarea a două filtre oprește-bandă RC simetrice în cascadă, acordate la frecvența întrerupătorului periodic și la a cincea armonică a acestuia pentru a reduce efectele de aliasing. În teorie, o arhitectură cu aducere automată la zero va prezenta aliasing mai dramatic decât tipul stabilizat cu întrerupător periodic. Dar efectele de aliasing pot varia mult și nu sunt întotdeauna specificate. Proiectantul are datoria de a înțelege caracteristicile de aliasing ale amplificatorului operațional specific utilizat. Aliasing-ul nu este un defect al amplificatoarelor de eșantionare, ci este un comportament. Cunoașterea acestui comportament și a modului în care poate fi evitat poate face ca amplificatoarele cu abatere zero să funcționeze la nivel optim.

În final, amplificatoarele operaționale au diferite valori de susceptibilitate EMI. Joncțiunile semiconductoarelor pot prelua și rectifica semnale EMI, creând un decalaj de tensiune indus de EMI la ieșire, adăugând încă o componentă la eroarea totală. Pinii de la intrare sunt cei mai sensibili la EMI. Amplificatorul operațional de precizie ridicată NCS333ASN2T1G include filtre trece-jos pentru reducerea sensibilității la EMI.

Considerații privind designul și configurația

Pentru a asigura performanța optimă a amplificatorului operațional, este obligatoriu ca proiectanții să respecte bunele practici ale designului de plăci PC. Amplificatoarele operaționale de înaltă precizie sunt dispozitive sensibile. De exemplu, este important ca amplasarea condensatoarelor de decuplare de 0,1 microfarazi (µF) să fie cât mai aproape posibil de pinii de alimentare. De asemenea, la realizarea unei conexiuni de șuntare, traseele plăcii cu circuite trebuie să aibă lungimi egale, dimensiuni egale și să fie cât mai scurte posibil. Amplificatorul operațional și rezistența de șuntare trebuie să fie pe aceeași parte a plăcii, iar pentru aplicațiile care necesită cel mai ridicat nivel de acuratețe, trebuie să se utilizeze șunturi cu patru terminale, care se mai numesc șunturi Kelvin. Aceste tehnici combinate vor reduce susceptibilitatea EMI.

Respectați întotdeauna recomandările producătorului șuntului pentru conectarea la acesta. O conexiune incorectă va adăuga rezistență parazită nedorită a derivaților și a detectării la măsurătoare și va crește eroarea (Figura 6).

Figura 6: conexiunea la o rezistență de șuntare cu două terminale care prezintă rezistențe parazite (R_Lead și R_Sense). (Sursă imagine: ON Semiconductor)

Acuratețea poate fi afectată de variațiile tensiunii de decalaj dependente de temperatură la pinii de intrare. Pentru a minimiza aceste variații, proiectanții trebuie să utilizeze metale cu coeficienți termoelectrici scăzuți și să prevină gradienții de temperatură de la sursele de căldură sau ventilatoarele de răcire.

Concluzie

Nevoia de condiționare precisă și exactă a semnalelor începe să se extindă într-o varietate de aplicații industriale. Această extindere este însoțită de nevoia de soluții compacte și de putere scăzută. Amplificatoarele operaționale sunt componente critice pentru condiționarea semnalelor, dar proiectanții au fost obligați să adauge auto-calibrarea și alte mecanisme pentru a asigura stabilitatea în timp și în funcție de temperatură, crescând în același timp complexitatea, costul și consumul suplimentar de energie.

Din fericire, proiectanții pot alege să utilizeze amplificatoare operaționale de performanță ridicată cu abatere zero, care au auto-calibrare continuă, tensiuni de decalaj foarte scăzute și abatere aproape zero în timp și în funcție de temperatură. În plus, acestea au consum foarte scăzut de energie într-un interval dinamic amplu, sunt compacte și au CMRR-uri ridicate, PSRR-uri ridicate și amplificare ridicată în buclă deschisă, toate fiind caracteristici cheie pentru aplicațiile industriale.

Lectură recomandată

1. Aplicarea senzorilor și algoritmilor avansați pentru urmărirea mișcărilor cu cost redus