Välja och använda precisionsoperationsförstärkare effektivt

Vid utformning av front-end-signalbehandlingssystem brukar konstruktörerna föredra att använda vanligt tillgängliga storskaliga, högintegrerade datainsamlingskretsar istället för specialiserade lösningar för att minska kostnad, tid, storlek och strukturlistor (BOM). Det finns dock vissa tillämpningar, som högprestandatestning, mätning och instrumenteringssystem, där den diskreta operationsförstärkaren som är kopplad till gränssnitt med en specialiserad sensor blir en kritisk front-end-komponent som kräver särskild uppmärksamhet.

Den här precisionsoperationsförstärkaren med enkel funktion är en specialiserad enhet som har extremt låg spänningsavvikelse, avvikelseförskjutning och ingående biasström samtidigt som den balanserar bandbredd, brus och effektförlustprestanda.

Konstruktörerna har två designutmaningar som de måste övervinna när de använder dessa precisionsanordningar: att välja den enhet som är bäst lämpad för tillämpningen samt att uppnå dess fulla potential. Det senare kräver förståelse för dess funktion och att kunna tillämpa det korrekt för att inte oavsiktligt försvaga några av dess precisionsskapande attribut.

Den här artikeln beskriver rollen för och nyanserna hos operationsförstärkare och aktuella konstruktionsavväganden. Därefter används dessa konstruktionsöverväganden för att visa hur man väljer och effektivt använder en precisionsoperationsförstärkare med hjälp av exempellösningar från Analog Devices.

Precisionsoperationsförstärkarens roll

Lockelsen med en storskalig krets med en potentiellt mindre precis operationsförstärkare är att det är möjligt att säkerställa sensorkanalens prestanda genom att helt enkelt "kalibrera bort" operationsförstärkarens brister. Det är dock inte bara tidsförbrukande utan sensorerna och deras kanal front-end-enheter är mycket svåra att kalibrera exakt, särskilt när systemet väl är på fältet. För att förstå detta är det viktigt att titta på precisionsoperationsförstärkarens roll.

Precisionsoperationsförstärkare används huvudsakligen mellan sensorer som töjningsgivare, piezoelektriska ulraljudstransduktorer och fotodetektorer för att fånga deras utsignaler utan att belasta den bräckliga transduktorutgången. Operationsförstärkarna överför sedan den konditionerade signalen exakt till resten av den analoga signalkedjan, som normalt avslutas med en analog-till-digitalomvandlare (ADC). De används även i analoga filter där de inte förvrider eller DC-förskjuter den aktuella signalen.

I dessa tillämpningar är det kritiskt att operationsförstärkarens prestanda är linjär, upprepningsbar och stabil när det gäller tid, temperatur och spänningsskenan. Dessutom måste den i de flesta fall ha lågt brus (sensorutsignalen eller andra analoga signaler är normalt relativt små), flat respons i spektrumet och snabb stigning med minimal överträdelse och ringning. I många fall är tillämpningen batteridriven, så operationsförstärkaren måste förbruka så lite ström som möjligt i aktivt läge och viloläge.

Precisionsoperationsförstärkaren med en funktion representeras schematiskt med standardoperationsförstärkarsymbolen (figur 1). Detta döljer dock komplexiteten hos den här specialiserade enskilda enheten.

Figur 1: Den schematiska symbolen för precisionsoperationsförstärkaren är densamma som symbolen för standardoperationsförstärkaren och ger ingen indikering om klass, prestanda eller parametrar för den här grundläggande och kritiska front-end-signalbehandlingsenheten. (Bildkälla: Analog Devices)

Prestandaparametrar för operationsförstärkare som ofta är andra eller tredje gradens faktorer i icke-precisionstillämpningar hamnar i toppen för precisionsoperationsförstärkare. Dessa innefattar brus, normalt angivet i mikrovolt (µV) eller nanovolt (nV) per rothertz (√Hz), ingående förskjutningsspänning och dess drift, ingående biasström och dess förskjutning samt de vanliga faktorerna förstärkning, bandbredd och ändringshastighet.

Både ingående förskjutningsspänning och ingående biasström är närmare en närmare titt:

Ingående förskjutningsspänning är likspänningen (DC) som måste tillämpas mellan de två ingångsterminalerna i en operationsförstärkare för att ställa utdata på null eller noll. Eventuell förskjutningsspänning förstärks av operationsförstärkarens förstärkning och bidrar därigenom till felet i utdata som en funktion av operationsförstärkarens förstärkningsinställning

Ingående biasström är den lilla mängd ström som passerar operationsförstärkarens ingångsanslutningar för att biasera dess interna kretsar korrekt. Det problem den kan orsaka är avsaknad av returströmbana till sensorkällan för den här strömmen eftersom både operationsförstärkarens inverterande och icke-inverterande ingångsbiasströmmar vill gå samma väg, antingen in i operationsförstärkaren eller ut ur den.

Eventuella potentiella problem med ingångsbiasström är att de kan orsaka oönskat spänningsfall över resistansen hos den sensor som är ansluten till ingången. Om resistansen är låg (och det är den ofta) kan denna resulterande förskjutning vara obetydlig. Om ingångsresistansen är mycket hög, som från en pH-sondelektrod med resistans på flera megaohm kan det vara ett stort problem.

För dessa och andra operationsförstärkarparametrar är temperaturinducerad förskjutning i värdena också ett problem. Ändringar på grund av förskjutning är svåra att korrigera. Dock kan fel vid nominell temperatur kompenseras genom antingen manuella maskinvarukorrigeringar, som dock medför ökad tidsåtgång och kostnad, eller programvarukorrigeringar.

Operationsförstärkaren kan dessutom uppvisa prestandaförändringar på grund av åldrande och temperatur och åldringsvärdet är oberäkneligt. Många datablad för precisionsoperationsförstärkare anger åldrandespecifikationer för huvudparametrar, men åldrande är en slumpmässig process och kan därför endast beskrivas med sannolika värden snarare är definitiva värden.

Oavsett scenario är det svårt att mäta de ingående förskjutningsspänningarna och biasströmmarna för dessa precisionsenheter exakt och att implementera fördelaktiga och effektiva kompensationsprogram är också utmanande. En bättre metod är att endast överväga produkter med omfattande datablad med flera tabeller och kurvor som karaktäriserar och definierar alla relevanta aspekter av prestandan samt som tillhandahåller tillämpningsinformation.

Få ut det som behövs av en operationsförstärkare

Varje operationsförstärkarimplementering representerar en kompromiss med de olika design-, process-, inställnings- och testaspekterna hos en faktisk enhet. För precisionsoperationsförstärkare innebär de små skillnaderna mot standardenheter att konstruktören måste avgöra vilka parametrar och värden som är prioriteringar och tilldela en relativ viktning till var och en av dem.

Som exempel tar vi nu två precisionsoperationsförstärkarfamiljer från Analog Devices: ADA4805-1 enkanalig och ADA4805-2 tvåkanalig enhet och ADA4896-2 tvåkanalig enhet.

Trots att de liknar varandra i sin grundläggande funktion har de några viktiga skillnader som visas i huvudspecifikationerna (tabell 1). Om designprioriteten är lägre spänningsbrus verkar ADA4896 som det bästa valet, men dem har högre strömbrus och ingående förskjutningsspänning än ADA4805-familjen. Det finns förstås många andra kompromisser mellan de två familjerna inom områden som ström, common mode-spänning och andra faktorer.

Tabell 1: Precisionsoperationsförstärkarfamiljerna ADA4805 och ADA4896 har viktiga skillnader med avseende på strömbrus och ingående förskjutningsspänning, blanda andra parametrar. (Tabelldatakälla: DigiKey)

Utdata är också viktiga

Medan indatas egenskaper och prestanda är viktiga faktorer när precisionsoperationsförstärkare utvärderas kan deras utdata inte ignoreras. Bland de viktigaste faktorerna finns förändringshastighet och utgångssvängning. Till exempel har ADA4805-enheterna en intern ändringsförstärkningskrets som förstärker ändringshastigheten när feedbackfelspänningen ökar, vilket möjliggör snabbare svar och återställning av förstärkaren till stora steginmatningar (figur 2).

Figur 2: Stegsvar för ADA4805 för valda utgångsstegstorlekar. ADA4805 har en intern ändringsförstärkningskrets som förstärker ändringshastigheten när feedbackfelspänningen ökar, vilket möjliggör snabbare svar och återställning av förstärkaren till stora steginmatningar. (Bildkälla: Analog Devices)

Tänk på att många av sensorsignalerna för vilka dessa operationsförstärkare tillhandahåller konditionering inte är steginmatningar eftersom dessa sensorer ofta är multiplexade. Därför kan operationsförstärkaren uppleva stegändringar när multiplexern (mux) växlar kanaler. Effekten av förändringsförbättringen i ADA4805-enheterna kan även ses i det stora signalfrekvenssvaret, där större ingångssignaler orsakar en liten ökning av toppvärdet (figur 3).

Figur 3: Toppvärden i frekvenssvar för ADA4805 är en funktion av signalnivån, som här visas med en förstärkning på +1. (Bildkälla: Analog Devices)

När ADA4805-förstärkaren stängs av går dess utsignal till hög impedans och impedansen minskar när frekvensen ökar. ADA4805-enheterna tillhandahåller 62 dB framåtisolering vid 100 kilohertz (kHz) i avstängningsläge (figur 4).

Figur 4: Framåt/avisoleringen för ADA4805 är en funktion av frekvensen och minskar när frekvensen ökar. (Bildkälla: Analog Devices)

En precisionsoperationsförstärkare som ADA4805 kan användas för att omvandla de signalinriktade utdata från en sensor till det differentialläge som föredras av många högpresterande ADC:er. Sådana differentialsignaler föredras eftersom de minskar brus och harmoniska störningar. Att uppnå detta är ett exempel på en klassisk designkompromiss: att antingen använda en differentialförstärkare eller konfigurera två separata fysiska förstärkare för att utföra omvandlingen från enledare till differential. Det förra alternativet ger högre prestanda, men till högre kostnad än lösningen med två förstärkare.

ADA4805-familjen löser detta dilemma genom at kombinera fördelarna med båda. Den inneboende låga harmoniska distorsionen, låga förskjutningsspänningen och låga bias strömmen hos enheterna innebär att de kan producera en differentialutmatning som är välmatchad med prestandan hos högupplösta ADC:er, men som ändå gör det till en kostnad som är jämförbar med en lösning med en enskild differentialförstärkare.

Det hela blir dock mer komplicerat när kapacitiva laster ska drivas. Kapacitans vid en förstärkarutgång skapar en tidsfördröjning (fasförskjutning) inom återkopplingsvägen som kan skapa hög ringning och svängning om det ligger inom slingans bandbredd. Till exempel visar svar mot förstärkningskurvan för ADA4896-2 de högsta toppvärden vid en förstärkning på +2 (figur 5).

Figur 5: Småsignalfrekvenssvar jämfört med förstärkning för ADA4896-2 visar hur det varierar med förstärkningen (med R_L = 1 kiloohm (kΩ); när G = +1, R_F = 0 ohm (Ω), annars är R_F = 249 Ω). (Bildkälla: Analog Devices)

Standardlösningen för de här oönskade toppvärdena är att lägga till ett snubber-motstånd med lågt värde som seriekopplas med förstärkarutgången och dess kapacitiva belastning för att minimera problemet. En liten snubber på 100 Ω eliminerar de här toppvärdena helt, men medför en kompromiss eftersom förstärkningen med sluten slinga har minskats med 0,8 dB på grund av dämpning vid utgången. Snubber-motståndets värde kan justeras mellan 0 och 100 Ω för att ge en acceptabel nivå av toppvärden och förstärkning med sluten slinga (figur 6).

Figur 6: Med ett snubbermotstånd (R_SNUB) i utgången minskas spänningsfallstopparna för värsta fall för ADA4896-2, visat med en förstärkning på +2. (Bildkälla: Analog Devices)

Genom att använda en förstärkare med valbar förstärkning kan signalkedjan klara av ett stort urval av möjliga ingångssignaler. I en traditionell förstärkare med valbar förstärkning är strömställare i återkopplingskretsen anslutna till omvandlingsingången. Det lilla, men oundvikliga motståndet hos dessa strömställare försämrar förstärkarens brusprestanda samtidigt som betydande kapacitans läggs till i växelriktarens ingångsnod, vilket försämrar operationsförstärkarens lågbrusprestanda betydligt. Dessutom lägger motstånden till ett icke-linjärt förstärkningsfel och försämrar därigenom operationsförstärkarens prestanda.

För att undvika den här försämringen kan konstruktörerna använda en programmerbar förstärkningsswitchtopologi som bibehåller ADA4896-2:s 1 nV/Hz brusprestanda samtidigt som det minskar dess icke-linjära förstärkningsfel (figur 7). Att välja strömställare med minimal kapacitans optimerar även kretsens bandbredd.

Figur 7: De två kanalerna hos ADA4896-2 plus ADG633 analog strömställare kan användas för att utforma en förstärkare med valbar förstärkning med lågt brus och minskat icke-linjärt förstärkningsfel för att driva en belastning med lågt motstånd. (Bildkälla: Analog Devices)

Även om den är minimal kan ingångsförstärkarens biasström orsaka en förskjutning i utgången som varierar med förstärkningsinställningen. Men eftersom ingångsförstärkar- och utgångsbuffertstegen i ADA4896-2 båda är del av en enda monolitisk enhet är deras biasströmmar välmatchade. Den här egenskapen kompenserar för den varierande förskjutningen i stor utsträckning.

Förpacknings- och layoutöverväganden

En precisionsoperationsförstärkare är mer än en noggrant utformad krets som konstruerats på en halvledarinsats. Hur den förpackas och hur paketet distribueras påverkar hur väl enheten presterar jämfört med vad databladet anger att den kan under perfekta förhållanden.

Precis som precisionsspänningsreferenser utsätts operationsförstärkarens paket för små mängder mekanisk belastning under placeringen och den inledande lödningsprocessen samt från den normala böjningen och vibrationerna hos kretskortet på fältet. Den resulterande belastningen kan orsaka små, men betydande förändringar i enhetens prestanda. Detta beror på den piezoelektriska effekten på enhetens kristall samt andra materialegenskaper.

Därför är det viktigt att se till att kretskortet är tillräckligt styvt, med extra stöd vid behov. Det kan även vara nödvändigt att kortet genomgår termiska cykler innan det tas i bruk för att utjämna inneboende belastning.

Som många andra analoga kretsar, särskilt precisionskretsar, är layout och jordning viktiga hänsyn för framgångsrik design. Det är väsentligt att koppla förbi strömförsörjningen med parallellkopplade kondensatorer med både högre och lägre värde. Normalt består förbikopplingsparet av en elektrolytkondensator på 10 mikrofarad (µF) parallellkopplad med en keramisk kondensator på 0,1 µF. Kondensatorn med lägst värde ska placeras på samma sida av kortet som förstärkaren och så nära matningsstiften som möjligt.

Enheter med en kanal jämfört med enheter med flera kanaler

Valet mellan enkanaliga och dubbelkanaliga versioner av en precisionsoperationsförstärkare innefattar några klassiska kompromisser (figur 8). Till exempel tar en dubbelkanalig enhet upp mindre yta per funktion samt mindre totalt utrymme eftersom färre förbikoppkingskondensatorer krävs.

Figur 8: Pinout över ADA4805-1 i ett SOT-23-paket med 6 ledare (vänster). Pinout över ADA4805-2 med MSOP med 8 ledare (höger). (Bildkälla: Analog Devices)

Beroende på kretsschemat kan dock användning av en dubbel enhet kräva körning av ingående lågnivåsignaler över längre sträckor. Att göra det tar upp utrymme, komplicerar designen och ökar brusupptagningen. Därför måste beslutet att använda två enkanaliga enheter eller en enskild dubbelkanalenhet alltid utvärderas i förhållande till avståndet till respektive förstärkarfunktioner, sammantagen kretsstorlek och relaterad passiv enhetsstorlek samt elektrisk prestanda, inte bara strukturlisteförenkling.

Skenbart ologiska jordningsregler för precisionsoperationsförstärkare

Jordningsreglerna för precisionsoperationsförstärkare går till viss del emot något som kortkonstruktörerna ofta antar, nämligen att fler jordningsytor och jordningsplan är bra.

Med precisionsoperationsförstärkare är det viktigt att undvika jordning i områdena under och runt deras ingångar och utgångar eftersom restkapacitans som uppstår mellan jordplanet samt in- och utgångsplattorna påverkar höghastighetsprestandan hos förstärkaren negativt. Restkapacitans vid växelriktaringången, tillsammans med förstärkaringångens kapacitans sänker även fasmarginalen och kan orsaka instabilitet. Vid utgången skapar restkapacitans en pol i återkopplingskretsen som också kan minska fasmarginalen och göra kretsen instabil.

Kom igång med precisionsoperationsförstärkare

Det blir enklare att utforska dessa operationsförstärkares många prestandaegenskaper med hjälp av återförsäljarens utvärderingskort. Som tur är har de flesta operationsförstärkare med ett givet paket standardiserad stiftuppsättning i en återförsäljares portfölj (samt i stor grad även inom branschen), så ett enskilt utvärderingskort kan användas för många operationsförstärkarmodeller.

Till exempel är Analog Devices EVAL-HSAMP-2RMZ-8 ett opopulerat utvärderingskort i sex lager för MSOP-dubbelkanalförstärkare med 8 ledare. Det godtar SMA kantmonterade kontaktstycken på ingångarna och utgångarna för effektiv och bredbandig anslutning till testutrustning eller andra kretsar (figur 9).

Figur 9: Analog Devices EVAL-HSAMP-2RMZ-8 opopulerade kretskort med sex lager för utvärdering av MSOP dubbla operationsförstärkare med 8 ledare är kompatibla med SMA kantmonterade kontakter på ingångarna och utgångarna. (Bildkälla: Analog Devices)

Utvärderingskortets jordplan och komponentplacering är utformade för att minimera parasitisk induktans och kapacitans, vilket inte är uppenbart endast från dess schema (figur 10).

Figur 10: Schema över Analog Devices EVAL-HSAMP-2RMZ-8 utvärderingskort. (Bildkälla: Analog Devices)

Schemat över EVAL-HSAMP-2RMZ-8 visar anslutningar och komponentutrymmestilldelningar, men det anger inte deras faktiska värden. Det beror på att kortet är opopulerat för att användaren ska kunna utvärdera prestanda med passiva enhetsvärden matchade med operationsförstärkaren och tillämpningskraven. De föreslagna utvärderingskortkomponenterna har huvudsakligen SMT 0603-höljesstorlek, med undantag för de elektrolytiska förbikopplingskondensatorerna (C1 och C2), som har storlek 1206.

Sammanfattning

Storskaliga, högintegrerade datainsamlingskretsar kan minska kostnad, tidsåtgång, storlek och strukturlistor (BOM), men vissa tillämpningar kräver en diskret precisionsoperationsförstärkare. Den här enfunktionsenheten är mycket specialiserad vilket gör den svår att välja och designa till för att uppnå dess fulla prestandapotential.

Med lämpliga kunskaper om de många faktorer som ligger bakom valet av den föredragna enheten kan urvalsprocessen påskyndas. När de har valts måste de beskrivna faktorerna vägas in för att tillämpa precisionsoperationsförstärkaren korrekt. Att göra detta undviker att kompromissa enhetens faktiska prestanda enligt databladet. Dessutom är utvärderingskort kombinerat med kunskaper om placering och kortlayout – fysiska faktorer som inte syns på schemat – kritiska vägar till framgångsrik design.