Jak používat operační zesilovače s nulovým driftem k dosažení precizního, přesného a nízkovýkonového řízení průmyslových systémů

S narůstajícím přechodem průmyslových systémů z mechanického na elektronické řízení hledají výrobci zisky jak v kvalitě produktů, tak i v bezpečnosti pracovníků; druhý případ se opírá především o potřebu zvýšené ochrany pracovníků v náročných prostředích. Avšak jsou to právě náročná prostředí s teplotními extrémy jakož i s elektrickým šumem a elektromagnetickým rušením (EMI), díky kterým se kvalitní kondicionování signálu stává tolik kritickým pro udržení stability a citlivosti obvodů potřebných pro spolehlivou, precizní a přesnou kontrolu nad provozní životností průmyslových strojů.

Kritickou součástí řetězce kondicionování signálu je operační zesilovač (op-amp), tedy stejnosměrný diferenční zesilovač s vysokým zesílením sloužící k získávání a zesilování požadovaných signálů. Standardní operační zesilovače jsou náchylné na teplotní drift a vyznačují se omezenou precizností a přesností; konstruktéři proto přidávají určitou formu automatické kalibrace na systémové úrovni, aby splnili průmyslové požadavky. Probléme zůstává, že implementace této kalibrační funkce může být složitá a zvyšuje spotřebu energie. Vyžaduje také více místa na obvodové desce a zvyšuje náklady i časovou náročnost konstrukce.

Tento článek provede rozbor požadavků průmyslových aplikací na kondicionování signálu a problematiky, se kterou by konstruktéři měli počítat. Poté představí řešení s vysoce kvalitními operačními zesilovači s nulovým driftem od společnosti ON Semiconductor a ukáže, proč a jakým způsobem je lze využívat ke splnění průmyslových požadavků na kondicionování signálu. Dále budou prozkoumány další relevantní charakteristiky, například míra potlačení součtového signálu (CMRR), vysoké potlačení zvlnění napájecího napětí (PSRR) a vysoké zesílení v otevřené smyčce.

Průmyslové aplikace kondicionování signálu

V průmyslových systémech se často používá měření proudu vytékajícího ze zátěže do země (low-side sensing) a senzorová rozhraní. Vzhledem k velmi malým diferenčním signálům spojeným s těmito obvody potřebují konstruktéři vysoce přesné operační zesilovače.

Měření proudu vytékajícího ze zátěže do země se používá k detekci nadproudových stavů a často ve zpětnovazební regulaci (obrázek 1). Do série mezi zátěž a zem je zapojen odpor s nízkou hodnotou (<100 miliohmů (mΩ)). Nízká hodnota odporu snižuje výkonové ztráty a generování tepla, projevuje se však odpovídajícím malým úbytkem napětí. Precizní operační zesilovač s nulovým driftem lze používat k zesilování úbytku napětí na snímacím odporu, přičemž zesílení se nastavuje pomocí externích odporů R1, R2, R3, a R4 (kde R1 = R2, R3 = R4). Pro dosažení vysoké přesnosti jsou třeba precizní odpory, a zesílení se nastavuje tak, aby byl využit celý rozsah analogově-digitálního převodníku (ADC) pro dosažení nejvyššího rozlišení.

Obrázek 1: Měření proudu vytékajícího ze zátěže do země se znázorněním rozhraní s operačním zesilovačem mezi snímacím odporem a A/D převodníkem. (Zdroj obrázku: ON Semiconductor)

Snímače na měření namáhání, tlaku a teploty v průmyslových a přístrojových systémech se často konfigurují pomocí Wheatstonových můstků (obrázek 2). Změna napětí na snímači poskytujícího měření může být poměrně malá a před vstupem do A/D převodníku musí být zesílena. V těchto aplikacích se obvykle používají přesné operační zesilovače s nulovým driftem díky jejich vysokému zesílení, nízkému šumu a nízkým offsetovým napětím.

Obrázek 2: Přesné operační zesilovače se často používají u Wheatstonových můstků k zesílení signálu ze snímačů namáhání, tlaku a teploty před jeho odesláním do A/D převodníku. (Zdroj obrázku: ON Semiconductor)

Klíčové parametry precizních operačních zesilovačů

Offsetové napětí, drift offsetového napětí, náchylnost k šumu a napěťové zesílení v otevřené smyčce jsou klíčové parametry, které omezují výkonnost operačního zesilovače v aplikacích detekce proudu a snímacího rozhraní (tabulka 1).

Tabulka 1: Klíčové parametry pro precizní operační zesilovače, které ovlivňují přesnost. (Zdroj obrázku: ON Semiconductor)

Vstupní offsetové napětí (v závislosti na výrobci označované jako V_OS nebo V_IO) vzniká v důsledku nedokonalostí při výrobě polovodičů, které způsobují rozdíl mezi napětím V_IN+ a V_IN-. Jde o hodnotu jinou pro každou součástku, která může záviset na teplotě a být obtížně odstranitelná pomocí kalibrace, protože nabývá kladné nebo záporné hodnoty. Úsilí konstruktérů o potlačení offsetu nebo driftu u standardních operačních zesilovačů nejen zvyšuje složitost, ale v některých případech může mít také za následek zvýšený příkon.

Mějme například měření proudu pomocí operačního zesilovače v rozdílové konfiguraci (obrázek 3).

Obrázek 3: Měření proudu pomocí operačního zesilovače v rozdílové konfiguraci. Nízké offsetové napětí je kriticky důležité, protože vstupní offsetové napětí se zesiluje jako šum, který na výstupu vytváří offsetovou chybu (označovanou jako „chyba vlivem to U_OS”). (Zdroj obrázku: ON Semiconductor)

Výstupní napětí je součtem zesílení signálu (U_SENSE) a zesílení šumu (U_OS), jak je patrné z rovnice 1:

 Rovnice 1

Vstupní offsetové napětí jako interní parametr operačního zesilovače je násobeno zesílením šumu, nikoli zesílením signálu, což se projevuje jako výstupní offsetová chyba („chyba vlivem V_OS” na obrázku 2). Precizní operační zesilovače offsetové napětí co nejvíce minimalizují pomocí různých metod. U operačních zesilovačů s nulovým driftem se tato kompenzace vztahuje zejména na nízkofrekvenční a stejnosměrné signály. Offsetové napětí precizních operačních zesilovačů s nulovým driftem může být více než o dva řády nižší v porovnání s běžnými operačními zesilovači (tabulka 2).

Tabulka 2: Při porovnání maximálního offsetového napětí u vybraných běžných operačních zesilovačů a operačních zesilovačů s měničem stabilizovaným nulovým driftem může být offsetové napětí u precizních operačních zesilovačů s nulovým driftem o více než dva řády nižší. (Zdroj obrázku: ON Semiconductor)

Operační zesilovače s nulovým driftem

Konstruktéři mohou splnit požadavky průmyslových aplikací na kondicionování signálu pomocí operačních zesilovačů s nulovým driftem díky jejich zlepšené výkonnosti. Dva příklady operačních zesilovačů s nulovým driftem nabízejících různé stupně výkonnosti: NCS325SN2T1G a NCS333ASN2T1G od společnosti ON Semiconductor. Konstruktéři mohou obvod NCS325SN2T1G používat v přesných aplikacích schopných výhodně využít offsetu 50 µV a driftu 0,25 µV/°C, zatímco skupina NCS333ASN2T1G nabízející offset 10 µV a drift pouhých 0,07 µV/°C je vhodná pro nejnáročnější aplikace s vysokou přesností. Tyto dva operační zesilovače dosahují nulového driftu pomocí odlišných vnitřních architektur.

Obvod NCS333ASN2T1G používá architekturu se stabilizačním měničem, která výhodně minimalizuje teplotní a časový drift offsetového (obrázek 4). Architektura se stabilizačním měničem používá na rozdíl od klasické architektury s měničem dvě signálové cesty.

Obrázek 4: Obvod NCS333ASN2T1G má dvě signálové cesty: druhá cesta (spodní) vzorkuje vstupní offsetové napětí, které se pak používá ke korekci offsetu na výstupu. (Zdroj obrázku: ON Semiconductor)

Spodní signálová cesta na obrázku 4 je místem, kde měnič vzorkuje vstupní offsetové napětí, které se pak používá ke korekci offsetu na výstupu. Korekce offsetu vzniká na kmitočtu 125 kHz. Architektura se stabilizačním měničem je optimalizována na nejlepší výkonnost na kmitočtech do výše příslušného Nyquistova kmitočtu (1/2 korekčního kmitočtu offsetu). Pokud kmitočet signálu překročí Nyquistův kmitočet 62,5 kHz, může se na výstupu objevit aliasing. Jde o vnitřní omezení všech architektur s měničem a stabilizačním měničem.

Nicméně operační zesilovač NCS333ASN2T1G má minimální aliasing do 125 kHz a nízký aliasing do 190 kHz. Patentovaná koncepce společnosti ON Semiconductor používá dvě kaskádové, symetrické odporově-kapacitní (RC) pásmové zádrže vyladěné na kmitočet měniče a jeho pátou harmonickou za účelem snížení efektů aliasingu.

Architektura s automatickou korekcí nulového bodu (auto-zero)

Další koncepcí operačních zesilovačů s nulovým driftem je architektura auto-zero (obrázek 5). Konstrukce auto-zero používá hlavní a nulovací zesilovač. Používá také taktovací systém. V první fázi spínané kondenzátory přidrží offsetovou chybu z předchozí fáze na výstupu nulovacího zesilovače. Ve druhé fázi se offset z výstupu nulovacího zesilovače použije ke korekci offsetu hlavního zesilovače. Operační zesilovač NCS325SN2T1G od společnosti ON Semiconductor je postaven na architektuře s automatickou korekcí nulového bodu.

Obrázek 5: Zjednodušené blokové schéma operačního zesilovače s korekcí auto-zero, jakým je např. NCS325SN2T1G, znázorňující spínané kondenzátory. (Zdroj obrázku: ON Semiconductor)

Kromě rozdílů mezi obvodem NCS333ASN2T1G (architektura se stabilizačním měničem) a NCS325SN2T1G (architektura s automatickou korekcí nulového bodu) z hlediska výše popsaného offsetového napětí a driftu vytvářejí odlišné architektury také rozdíly v napěťovém zesílení v otevřené smyčce, šumové výkonnosti a náchylnosti k aliasingu. Obvod NCS333ASN2T1G má napěťové zesílení v otevřené smyčce 145 dB, zatímco obvod NCS325SN2T1G 114 dB. Pokud jde o šum, obvod NCS333ASN2T1G má míru potlačení součtového signálu (CMRR) 111 dB a potlačení zvlnění napájecího napětí (PSRR) 130 dB, zatímco obvod NCS325SN2T1G má CMRR 108 dB a PSRR 107 dB. Ačkoli mají oba obvody dobré parametry, obvod NCS333ASN2T1G je lepší než NCS325SN2T1G.

Operační zesilovače řady NCS333ASN2T1G také vykazují minimální aliasing. Důvodem je patentovaná koncepce společnosti ON Semiconductor používající dvě kaskádové symetrické RC pásmové zádrže vyladěné na kmitočet měniče a jeho pátou harmonickou za účelem snížení efektů aliasingu. Teoretiky bude architektura s automatickou korekcí nulového bodu (auto-zero) vykazovat dramatičtější aliasing než architektura se stabilizačním měničem. Efekty aliasingu se však mohou široce měnit a nejsou vždy specifikovány. Je na konstruktérovi, aby pochopil aliasingové charakteristiky konkrétního používaného operačního zesilovače. Aliasing není vadou vzorkovacích zesilovačů, ale jejich chováním. Znalostí tohoto chování a způsobu, jak se mu vyhnout, lze operační zesilovače s nulovým driftem přimět k nejlepšímu možnému provozu.

A nakonec, operační zesilovače mají proměnnou náklonnost k elektromagnetickému rušení (EMI). Polovodičové přechody mohou zachycovat a usměrňovat signály elektromagnetického rušení (EMI) a vytvářet tak indukované offsetové napětí na výstupu, které přidává další složku k celkové chybě. Nejcitlivější na elektromagnetické rušení jsou vstupní vývody. Vysoce precizní operační zesilovač NCS333ASN2T1G v sobě integruje filtry se spodní propustí na snížení elektromagnetické citlivosti (EMI).

Kritéria konstrukce a uspořádání

Aby byla zajištěna optimální výkonnost operačního zesilovače, konstruktéři musejí dodržovat zavedené praktiky návrhu obvodových desek. Vysoce precizní operační zesilovače jsou citlivé součástky. Například je důležité, aby oddělovací kondenzátory o kapacitě 0,1 µF byly umístěny co nejblíže k napájecím vývodům. Při tvorbě zapojení s bočníkem je též nutné, aby spoje na obvodové desce byly stejně dlouhé, měly stejné rozměry a byly co nejkratší. Operační zesilovač a bočníkový odpor musejí být umístěny na stejné straně desky a u aplikací vyžadujících nejvyšší stupeň přesnosti je nutné použít bočníky se čtyřmi svorkami, nazývané též Kelvinovy bočníky. Kombinací těchto metod dojde ke snížení náklonnosti k elektromagnetickému rušení (EMI).

Dodržujte také doporučení výrobce bočníku týkající se jeho zapojování. Chybné zapojení přidá k měření nežádoucí parazitní přívodní a detekční odpor, čímž dojde ke zvýšení chyby (obrázek 6).

Obrázek 6: Připojení dvousvorkového bočníkového odporu se znázorněním parazitních odporů (R_přívodů a R_detekce). (Zdroj obrázku: ON Semiconductor)

Přesnost může být narušena změnami teplotně závislého offsetového napětí na vstupních přívodech. Aby byly tyto změny minimalizovány, konstruktéři by měli používat kovy s nízkými termoelektrickými koeficienty a vyloučit teplotní spády od zdrojů tepla nebo chladicích ventilátorů.

Závěr

Napříč celou řadou průmyslových aplikací roste potřeba precizního a přesného kondicionování signálu. Tento růst je doprovázen potřebou nízkovýkonových, kompaktních řešení. Operační zesilovače kriticky důležité součásti v kondicionování signálu, které konstruktéři museli rozšířit o automatickou kalibraci a další mechanismy, aby byla zaručena jejich teplotní i časová stabilita, což však zvyšuje složitost, cenu a spotřebu energie.

Konstruktéři ale naštěstí mohou sáhnout po vysoce kvalitních operačních zesilovačích s nulovým driftem se spojitou automatickou kalibrací, velmi nízkými offsetovými napětími a takřka nulovou odchylkou s časem i teplotou. Tyto součástky mají navíc nízkou spotřebu energie v širokém dynamickém rozsahu, kompaktní provedení a vyznačují se vysokým potlačením součtového signálu (CMRR), vysokým potlačením zvlnění napájecího napětí (PSRR) a vysokým zesílením v otevřené smyčce, což jsou klíčové charakteristiky pro průmyslové aplikace.

Doporučený článek

1. Použití vyspělých snímačů a algoritmů pro úsporné sledování pohybu