Hur man använder Zero-Drift Op-förstärkare för att uppnå exakta, strömsnåla, industriella systemstyrningar

I takt med att industriella system går alltmer från mekanisk till elektronisk styrning, upplever tillverkarna förbättringar både av produktkvalitet och arbetarsäkerhet. Det senare beror främst på att arbetare är mer skyddade från farliga miljöer. Det är emellertid de farliga miljöerna, med extrema temperaturer såväl som elektriskt brus och elektromagnetiska störningar (EMI), som gör bra signalbehandling så kritiskt för att bibehålla både den kretsstabilitet och känslighet som krävs för tillförlitlig, noggrann och korrekt styrning och övervakning av industrimaskiner i drift.

En kritisk komponent i signalbehandlingskedjan är operationsförstärkaren (op-amp), en DC-förstärkare med hög förstärkning som används för att skapa och förstärka önskade signaler. Standardförstärkare är känsliga för temperaturavdrift och har begränsad precision och noggrannhet. För att uppfylla krav inom industrin lägger konstruktörerna därför till någon form av automatisk kalibrering på systemnivå. Problemet är att denna kalibreringsfunktion kan vara komplex att implementera och ökar energiförbrukningen. Det kräver också mer kortutrymme och ökar kostnaderna och tidsåtgången för konstruktionen.

Denna artikel går igenom kraven som ställs på signalbehandling av industriella tillämpningar och vad konstruktörer behöver vara uppmärksamma på. Sedan introduceras några operationsförstärkarlösningar med hög prestanda och noll-avdrift från ON Semiconductor och det ges exempel på hur de kan användas för att uppfylla kraven som ställs på signalbehandling inom industrin. Andra relevanta egenskaper hos dessa enheter, såsom höga CMRR (common mode rejection ratio), höga PSRR (strömförsörjningsavstötningsförhållanden) och hög öppen kretsförstärkning gås också igenom.

Industriella tillämpningar för signalbehandling

Sensorgränssnitt och strömavkänning på lågsidan och används ofta i industriella system. På grund av de mycket små differentialsignalerna som dessa kretsar arbetar med, behöver konstruktörerna förstärkare med hög precision.

Strömavkänning på lågsidan används för att upptäcka tillstånd med överströmmar och används ofta i återkopplade styrningar (figur 1). Ett avkänningsmotstånd med lågt värde (<100 milliohms (mΩ)) placeras i serie med lasten till jord. Den låga resistansen minskar effektförlusterna och värmebildningen, men resulterar i ett motsvarande lågt spänningsfall. En operationsförstärkare med hög precision och noll-avdrift kan användas för att förstärka spänningsfallet över sensormotståndet, med en förstärkning som ställs in av de externa motstånden R1, R2, R3 och R4 (där R1 = R2, R3 = R4). Precisionsmotstånd krävs för hög noggrannhet och förstärkningen är inställd för att använda hela skalan av A/D-omvandlaren för högsta upplösning.

Figur 1: Strömavkänning på lågsidan som visar operationsförstärkarens gränssnitt mellan avkänningsmotstånd och A/D-omvandlarn. (Bildkälla: ON Semiconductor)

Sensorer som används för att mäta töjning, tryck och temperatur i industri- och instrumentsystem är ofta konfigurerade som en Wheatstone-brygga (figur 2). Förändringen i sensorspänningen som ger mätningen kan vara ganska liten och måste förstärkas innan den går in i A/D-omvandlaren. Operationsförstärkare med hög precision och noll avdrift används ofta i dessa tillämpningar givet sina höga förstärkningar, låga brusnivå och låga offset-spänningar.

Figur 2: Precisionsförstärkare används ofta med Wheatstone-bryggor för att förstärka signalen från sensorer för töjning, tryck och temperatur innan signalen skickas till en A/D-omvandlare. (Bildkälla: ON Semiconductor)

Viktiga parametrar för precisionsoperationsförstärkare

Offsetspänning, avdrift för offsetspänning, känslighet för brus och spänningsförstärkning vid noll återkoppling är nyckelparametrar som begränsar operationsförstärkarens prestanda i tillämpningar med sensorgränssnitt och strömavkänningar (tabell 1).

Tabell 1: Nyckelparametrar för precisionsförstärkare som påverkar noggrannheten. (Bildkälla: ON Semiconductor)

Offsetspänningen på ingången (betecknad V_OS eller V_IO, beroende på tillverkare) härrör från imperfektioner i tillverkningen av halvledare som orsakar en differentialspänning mellan V_IN+ och V_IN-. Det är inherent variation mellan komponenter som kan glida över temperaturen och kan vara positiv eller negativ vilket gör det svårt att kalibrera bort. Konstruktörernas ansträngningar för att minska offset eller avdrift i standardförstärkare ger inte bara större komplexitet utan kan i vissa fall leda till högre strömförbrukning.

Tänk exempelvis på strömavkänning med hjälp av en operationsförstärkare i en differensförstärkarkonfiguration (figur 3).

Figur 3: Strömavkänning med en operationsförstärkare i en differensförstärkarkonfiguration. Låg offsetspänning är kritiskt eftersom offsetspänning på ingången förstärks av brusförstärkningen, vilket skapar ett offsetfel på utgången (betecknat som “Error due to V_OS”). (Bildkälla: ON Semiconductor)

Utgångsspänningen är summan av signalförstärkningstermen (V_SENSE) och brusförstärkningstermen (V_OS), såsom visas i ekvation 1:

Ekvation 1

Som en intern operationsförstärkarparameter multipliceras ingångsoffsetspänningen med brusförstärkningen och inte med signalförstärkningen, vilket resulterar i ett offsetfel på utgången (“Error due to V_OS” i figur 2). Precisa operationsförstärkare minimerar offsetspänningen så mycket som möjligt med hjälp av olika tekniker. I operationsförstärkare med noll-avdrift, gäller detta särskilt lågfrekvens- och DC-signaler. Offsetspänningen för noggranna förstärkare med noll-avdrift kan vara mer än två storleksordningar lägre jämfört med förstärkare för allmänna ändamål (tabell 2).

Tabell 2: I en jämförelse av den maximala offsetspänningen för utvalda allmänna operationsförstärkare och chopper-stabiliserade operationsförstärkare med noll-avdrift, kan offset-spänningen för operationsförstärkare med noll-avdrift vara mer än två storleksordningar lägre. (Bildkälla: ON Semiconductor)

Operationsförstärkare med noll-avdrift

Med den högre prestandan hos dessa kan utvecklarna uppfylla kraven på signalbehandling av industriella tillämpningar med operationsförstärkare med noll-avdrift Två exempel på operationsförstärkare med noll-avdrift som erbjuder olika prestandanivåer är ON Semiconductors NCS325SN2T1G och NCS333ASN2T1G. Konstruktörer kan använda NCS325SN2T1G för precisionstillämpningar som har nytta av en offset på 50 µV och en avdrift på 0,25 µV/°C, medan NCS333ASN2T1G-familjen är lämplig för de mest krävande högprecisionstillämpningarna och levererar en 10 µV-offset och en avdrift på endast 0,07 µV/°C. Dessa två operationsförstärkare uppnår noll-avdrift med olika interna arkitekturer.

NCS333ASN2T1G använder en chopper-stabiliserad arkitektur, vilket ger fördelen att minimera offset-spänningsavdriften över temperatur och tid (figur 4). Till skillnad från den klassiska chopperarkitekturen, har den chopperstabiliserade arkitekturen två signalvägar.

Figur 4: NCS333ASN2T1G har två signalbanor: den andra banan (nedtill) samplar ingångsoffsetspänningen, som används för att korrigera offseten på utgången. (Bildkälla: ON Semiconductor)

I figur 4 är det på den nedre signalbanan där choppern samplar ingångsoffsetspänningen, vilket sedan används för att korrigera offseten på utgången. Offsetkorrigeringen sker vid en frekvens på 125 kHz. Den chopperstabiliserade arkitekturen är optimerad för bästa prestanda vid frekvenser upp till den tillhörande Nyquist-frekvensen (1/2 av offsetkorrektionsfrekvensen). Eftersom signalfrekvensen överstiger Nyquist-frekvensen, 62,5 kHz, kan alias-effekter förekomma på utgången. Detta är en inherent begränsning för alla chopper- och chopper-stabiliserade arkitekturer.

Ändå har operationsförstärkaren NCS333ASN2T1G minimala aliaseffekter upp till 125 kHz och låga aliaseffekter upp till 190 kHz. ON Semiconductors patenterade metod använder två kaskadkopplade, symmetriska RC-bandspärrfilter inställda på chopperfrekvensen och dess harmoniska övertoner av 5:e ordningen för att minska aliaseffekterna.

Självnollställande arkitektur

En annad metodik för operationsförstärkare med noll-avdrift är den självnollställande arkitekturen (figur 5). Den självnollställande konstruktionen har en huvudförstärkare och en nollande förstärkare. Den använder även ett klockat system. I den första fasen behåller de switchade kondensatorerna offsetfelet från föregående fas på nollförstärkarutgången. I den andra fasen används offseten från den nollande förstärkarutgången för att korrigera offseten för huvudförstärkaren. NCS325SN2T1G från ON Semiconductor är byggd med den självnollande arkitekturen.

Figur 5: Förenklat blockschema för en självnollande förstärkare, såsom NCS325SN2T1G som visar de switchade kondensatorerna. (Bildkälla: ON Semiconductor)

Förutom skillnaderna mellan NCS333ASN2T1G (chopperstabiliserad arkitektur) och NCS325SN2T1G (självnollande arkitektur) när det gäller offset-spänning och avdrift som beskrivs ovan, producerar de olika arkitekturerna skillnader i oåterkopplad spänningsförstärkning, brusegenskaper och aliaskänslighet. NCS333ASN2T1G har en oåterkopplad spänningsförstärkning på 145 decibel (dB), medan NCS325SN2T1G har en oåterkopplad spänningsförstärkning på 114 dB. Beträffande bruset har NCS333ASN2T1G en CMRR på 111 dB och en PSRR på 130 dB, medan NCS325SN2T1G har en CMRR på 108 dB och en PSRR på 107 dB. Båda har mycket bra betyg, men NCS333ASN2T1G överträffar NCS325SN2T1G.

NCS333ASN2T1G-seriens operationsförstärkare har också minimala aliaseffekter. Detta beror på ON Semiconductors patenterade tillvägagångssätt som använder två kaskadkopplade, symmetriska, RC-chopperfilter inställda på chopperfrekvensen och dess femte harmoniska överton för att minska aliaseffekterna. I teorin kommer en självnollande arkitektur att uppvisa mer dramatiska aliaseffekter än en chopperstabiliserad typ. Men aliaseffekter kan variera mycket och specificeras inte alltid. Det är upp till konstruktören att förstå aliasegenskaperna hos den specifika operationsförstärkaren som används. Aliaseffekter är inte en defekt i samplingsförstärkare, det är ett beteende. Genom kunskap om detta beteende och hur man undviker det kan man få ut bästa möjliga funktion från förstärkare med nollavdrift.

Slutligen har operationsförstärkare varierande grad av EMI-känslighet. Halvledarkopplingar kan plocka upp och korrigera EMI-signaler, vilket skapar en EMI-inducerad spänningsoffset på utgången och lägga till ytterligare en komponent till totalfelet. Ingångspinnarna är de mest känsliga för EMI. Operationsförstärkaren NCS333ASN2T1G med hög precision har inbyggda lågpassfilter för att minska känsligheten för EMI.

Faktorer att tänka på under konstruktion och layout

För att säkerställa optimal prestanda för förstärkare är det nödvändigt att konstruktörer följer god praxis för kretskortdesign. Förstärkare med hög precision är känsliga komponenter. Exempelvis är det viktigt att placera avkopplande kondensatorer på 0,1 µF så nära matningspinnarna som möjligt. När man gör en shuntkoppling ska mönsterkortsbanorna också ha samma längd, samma dimensioner och vara så korta som möjligt. Operationsförstärkaren och shuntmotståndet ska vara på samma sida av kortet och för tillämpningar som kräver den högsta graden av noggrannhet bör shuntar med fyra poler, även kallade Kelvin-shuntar, användas. Kombinationen av dessa tekniker kommer att minska EMI-känsligheten.

Följ alltid shunttillverkarens rekommendationer för hur den ansluts. En felaktig anslutning lägger till oönskade irrledarbanor och avkänningsresistanser till mätningen vilket ökar felet (figur 6).

Figur 6: Anslutning till ett 2-poligt shuntmotstånd som visar ströresistanser (R_Lead och R_Sense). (Bildkälla: ON Semiconductor)

Noggrannheten kan påverkas av temperaturberoende offsetspänningsvariationer på ingångarna. För att minimera dessa variationer bör konstruktörer använda metaller med låga termoelektriska koefficienter och förhindra temperaturgradienter från värmekällor eller kylfläktar.

Slutsats

Behovet av precis och exakt signalbehandling växer för många industriella tillämpningar. Med denna tillväxt följer behovet av kompakta lösningar med låg effekt. Operationsförstärkare är viktiga komponenter inom signalkonditionering, men konstruktörer har behövt lägga till automatisk kalibrering och andra mekanismer för att säkerställa stabilitet över tid och temperatur, vilket lägger till komplexitet, kostnader och högre strömförbrukning.

Lyckligtvis kan konstruktörer använda sig av operationsförstärkare med hög prestanda, nollavdrift och kontinuerlig automatisk kalibrering, mycket låga offset-spänningar och nära nollavdrift över tid och temperatur. Dessutom har de låg strömförbrukning över ett brett dynamiskt intervall, de är kompakta och har hög CMRR, hög PSRR och hög oåterkopplad förstärkning, vilket alla är viktiga egenskaper för industriella tillämpningar.

Rekommenderad läsning

1. Använda avancerade sensorer och algoritmer för rörelsespårning till låg kostnad