Wykorzystanie wzmacniaczy operacyjnych o zerowym dryfcie w zużywających niewiele energii układach dokładnego i precyzyjnego sterowania przemysłowego

W systemach przemysłowych coraz częściej odchodzi się od sterowania mechanicznego na rzecz układów elektronicznych, a producenci dostrzegają ich pozytywny wpływ zarówno na jakość produktów, jak i na bezpieczeństwo pracowników. To ostatnie wynika głównie z lepszej ochrony pracowników przed trudnymi warunkami środowiskowymi. Jednak to właśnie trudne warunki środowiskowe, gdzie występują ekstremalne temperatury, szumy elektryczne i zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) sprawiają, że dobre kondycjonowanie sygnału ma znaczenie krytyczne dla utrzymania stabilności obwodów i czułości niezbędnej dla uzyskania niezawodnego, precyzyjnego i dokładnego sterowania w całym okresie eksploatacji maszyn przemysłowych.

Komponentem o znaczeniu krytycznym w łańcuchu kondycjonowania sygnału jest wzmacniacz operacyjny, czyli wzmacniacz różnicowy prądu stałego o wysokim wzmocnieniu, służący do akwizycji i wzmacniania wymaganych sygnałów. Standardowe wzmacniacze operacyjne są wrażliwe na dryft temperaturowy oraz posiadają ograniczoną precyzję i dokładność. Dlatego w celu sprostania wymogom przemysłowym, projektanci dodają w nich kalibrację automatyczną na poziomie systemowym. Problem polega na tym, że te funkcje kalibracji mogą być skomplikowane do wdrożenia i zwiększać zużycie energii. Wymagają one również miejsca na płytce, zwiększają koszty i wydłużają czas projektowania.

Artykuł omawia wymagania dotyczące kondycjonowania sygnału w zastosowaniach przemysłowych oraz zagadnienia, na które projektanci powinni zwrócić uwagę. Następnie zostaną przedstawione rozwiązania wzmacniaczy operacyjnych o wysokich parametrach i zerowym dryfcie firmy ON Semiconductor oraz powody i sposoby ich wykorzystania w celu sprostania wymogom przemysłowego kondycjonowania sygnału. Omówione zostaną również inne istotne cechy tych urządzeń, takie jak wysokie współczynniki tłumienia sygnału współbieżnego (CMRR), wysokie współczynniki tłumienia wpływu zasilania (PSRR), oraz wysokie wzmocnienie w otwartej pętli.

Przemysłowe zastosowania kondycjonowania sygnałów

W systemach przemysłowych często wykorzystuje się pomiar prądu po stronie niskiej oraz interfejsy czujników. Ze względu na bardzo małe sygnały różnicowe występujące w tych obwodach, projektanci potrzebują wzmacniaczy operacyjnych o wysokiej dokładności.

Pomiar prądu po stronie niskiej stosowany jest w wykrywaniu nadmiernych prądów i często wykorzystywany jest w sterowaniu ze sprzężeniem zwrotnym (ilustracja 1). Rezystor pomiarowy o niskiej rezystancji (<100mΩ) jest umieszczony w układzie szeregowo z obciążeniem połączonym z masą. Niska wartość rezystora zmniejsza straty mocy i wytwarzane ciepło jednak skutkuje względnie małym spadkiem napięcia. Do wzmacniania spadku napięcia na rezystorze pomiarowym można wykorzystać precyzyjny wzmacniacz operacyjny o zerowym dryfcie, którego wzmocnienie ustawiane jest za pomocą rezystorów zewnętrznych R1, R2, R3 oraz R4 (przy czym R1 = R2, R3 = R4). Uzyskanie wysokiej dokładności wymaga użycia rezystorów precyzyjnych, a wzmocnienie jest ustawione tak, aby wykorzystywać pełną skalę przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC) dla uzyskania maksymalnej rozdzielczości.

Ilustracja 1: pomiar prądu po stronie niskiej z interfejsem w postaci wzmacniacza operacyjnego pomiędzy rezystorem pomiarowym i przetwornikiem analogowo cyfrowym (ADC). (Źródło ilustracji: ON Semiconductor)

Czujniki wykorzystywane do pomiaru odkształcenia, ciśnienia i temperatury w systemach przyrządów przemysłowych często pracują w układzie mostka Wheatstone’a (ilustracja 2). Zmiana napięcia czujnika, która stanowi pomiar może być dość mała i musi zostać wzmocniona zanim trafi do przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC). W tego typu zastosowaniach często stosowane są precyzyjne wzmacniacze operacyjne o zerowym dryfcie, ze względu na wysokie wzmocnienia, niskie szumy i niskie napięcia niezrównoważenia.

Ilustracja 2: precyzyjne wzmacniacze operacyjne są często stosowane wraz z mostkami Wheatstone’a w celu wzmocnienia sygnałów z czujników odkształcenia, ciśnienia i temperatury, zanim trafią one do przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC). (Źródło ilustracji: ON Semiconductor)

Kluczowe parametry precyzyjnych wzmacniaczy operacyjnych

Kluczowymi parametrami, które ograniczają działanie wzmacniaczy operacyjnych w pomiarach prądu oraz interfejsach czujników są: napięcie niezrównoważenia, dryft napięcia niezrównoważenia, wrażliwość na szumy oraz wzmocnienie napięciowe w otwartej pętli (tabela 1).

Tabela 1: kluczowe parametry precyzyjnych wzmacniaczy operacyjnych wpływające na dokładność i precyzję. (Źródło ilustracji: ON Semiconductor)

Wejściowe napięcie niezrównoważenia (oznaczane jako V_OS lub V_IO, zależnie od producenta) wynika z niedoskonałości procesów produkcyjnych półprzewodników, które powodują różnicę napięć pomiędzy V_IN+ i V_IN-. Zmienność ta występuje pomiędzy poszczególnymi egzemplarzami i może mieć wartość dodatnią lub ujemną, a także ulegać zmianie z temperaturą, przez co trudno poddaje się kalibracji. Wysiłki projektantów zmierzające do zmniejszenia niezrównoważenia i dryftu w standardowych wzmacniaczach operacyjnych nie tylko podnoszą poziom skomplikowania układów, ale również mogą zwiększać zużycie energii.

Rozważmy przykładowo pomiar prądu z wykorzystaniem wzmacniacza operacyjnego w konfiguracji różnicowej (ilustracja 3).

Ilustracja 3: pomiar prądu ze wzmacniaczem operacyjnym w konfiguracji różnicowej. Niskie napięcie niezrównoważenia ma znaczenie krytyczne ponieważ napięcie niezrównoważenia jest wzmacniane wraz z szumami tworząc błąd niezrównoważenia na wyjściu (oznaczony jako „Error due to V_OS”). (Źródło ilustracji: ON Semiconductor)

Napięcie wyjściowe jest sumą składowej wzmocnienia sygnału (V_SENSE) oraz składowej wzmocnienia szumów (V_OS), zgodnie z równaniem 1:

Równanie 1

Będące parametrem wewnętrznym wejściowe napięcie niezrównoważenia jest przemnażane przez wzmocnienie szumów a nie wzmocnienie sygnału, co skutkuje błędem niezrównoważenia na wyjściu (oznaczonym jako „Error due to V_OS” na ilustracji 2). Napięcie niezrównoważenia jest minimalizowane w precyzyjnych wzmacniaczach operacyjnych w maksymalnym możliwym zakresie z użyciem różnych technik. We wzmacniaczach operacyjnych o zerowym dryfcie dotyczy to szczególnie sygnałów niskiej częstotliwości i prądu stałego. Napięcie niezrównoważenia wzmacniaczy operacyjnych o zerowym dryfcie może być o ponad dwa rzędy wielkości niższe w porównaniu ze wzmacniaczami operacyjnymi ogólnego przeznaczenia (tabela 2).

Tabela 2: porównując wybrane wzmacniacze operacyjne ogólnego przeznaczenia i wzmacniacze operacyjne o zerowym dryfcie ze stabilizacją czoperową, maksymalne napięcie niezrównoważenia może być o ponad dwa rzędy wielkości niższe. (Źródło ilustracji: ON Semiconductor)

Wzmacniacze operacyjne o zerowym dryfcie

Dzięki doskonalszym parametrom wzmacniaczy operacyjnych o zerowym dryfcie, projektanci mogą sprostać wymaganiom dotyczącym kondycjonowania sygnału w zastosowaniach przemysłowych. Przykładami wzmacniaczy operacyjnych o zerowym dryfcie, które oferują różne poziomy parametrów mogą być układy NCS325SN2T1G oraz NCS333ASN2T1G firmy ON Semiconductor. Do zastosowań precyzyjnych projektanci mogą wykorzystywać układ NCS325SN2T1G charakteryzujący się niezrównoważeniem 50µV i dryftem 0,25µV/°C, natomiast grupa NCS333ASN2T1G przeznaczona jest do najbardziej wymagających zastosowań wysokiej precyzji, oferując niezrównoważenie 10µV i dryft zaledwie 0,07µV/°C. Te dwa wzmacniacze operacyjne osiągają zerowy dryft z użyciem różnych architektur wewnętrznych.

Układ NCS333ASN2T1G wykorzystuje stabilizowaną architekturę czoperową, która daje korzyści w postaci minimalizacji dryftu napięcia niezrównoważenia z upływem czasu i zmianami temperatury (ilustracja 4). W przeciwieństwie do klasycznej architektury czoperowej, w stabilizowanej architekturze czoperowej występują dwie ścieżki sygnałowe.

Ilustracja 4: układ NCS333ASN2T1G posiada dwie ścieżki sygnałowe: druga ścieżka (u dołu) próbkuje wejściowe napięcie niezrównoważenia w celu skorygowania niezrównoważenia na wyjściu. (Źródło ilustracji: ON Semiconductor)

Na ilustracji 4 czoper próbkuje wejściowe napięcie niezrównoważenia w dolnej ścieżce sygnałowej w celu skorygowania niezrównoważenia na wyjściu. Korekcja niezrównoważenia realizowana jest z częstotliwością 125kHz. Stabilizowana architektura czoperowa jest zoptymalizowana pod kątem pracy przy częstotliwościach nieprzekraczających odpowiedniej częstotliwości Nyquista (1/2 częstotliwości korekcji niezrównoważenia). Gdy częstotliwość sygnału przekracza częstotliwość Nyquista równą 62,5kHz, na wyjściu może pojawić się aliasing. Jest to charakterystyczne ograniczenie wszystkich architektur czoperowych, również stabilizowanych.

Mimo to, we wzmacniaczu operacyjnym NCS333ASN2T1G aliasing występuje w minimalnym zakresie do częstotliwości 125kHz i jest niewielki aż do 190kHz. Opatentowane przez firmę ON Semiconductor podejście do redukcji zjawiska aliasingu wykorzystuje dwa połączone kaskadowo symetryczne filtry środkowozaporowe RC (rezystor-kondensator) dostrojone do częstotliwości czoperowej oraz jej piątej harmonicznej.

Architektura z automatycznym zerowaniem

Innym podejściem stosowanym we wzmacniaczach operacyjnych o zerowym dryfcie jest architektura z automatycznym zerowaniem (ilustracja 5). Konstrukcja z automatycznym zerowaniem posiada wzmacniacz główny i wzmacniacz zerujący. Wykorzystuje ona również system zegarowy. W pierwszej fazie przełączane kondensatory utrzymują błąd niezrównoważenia z poprzedniej fazy na wyjściu wzmacniacza zerującego. W drugiej fazie niezrównoważenie z wyjścia wzmacniacza zerującego służy do skorygowania niezrównoważenia wzmacniacza głównego. Układ NCS325SN2T1G firmy ON Semiconductor, wykorzystuje architekturę z automatycznym zerowaniem.

Ilustracja 5: uproszczony schemat blokowy przykładowego wzmacniacza operacyjnego z automatycznym zerowaniem NCS325SN2T1G ukazujący przełączane kondensatory. (Źródło ilustracji: ON Semiconductor)

Oprócz opisanych wyżej różnic pomiędzy układami NCS333ASN2T1G (stabilizowana architektura czoperowa) i NCS325SN2T1G (architektura z automatycznym zerowaniem) dotyczących napięcia niezrównoważenia i dryftu, architektury te charakteryzują się różnicami we wzmocnieniu napięciowym w otwartej pętli, charakterystyce szumowej oraz wrażliwości na aliasing. Wzmocnienie napięciowe w otwartej pętli układu NCS333ASN2T1G wynosi 145dB, a dla układu NCS325SN2T1G jest to 114dB. Jeżeli chodzi o szumy, to układ NCS333ASN2T1G posiada współczynnik tłumienia sygnału współbieżnego (CMRR) równy 111dB oraz współczynnik tłumienia wpływu zasilania (PSRR) równy 130dB, natomiast układ NCS325SN2T1G posiada CMRR równy 108dB a PSRR równy 107dB. Obydwa posiadają bardzo dobre parametry znamionowe, jednak są one wyższe w układzie NCS333ASN2T1G niż w NCS325SN2T1G.

Wzmacniacze operacyjne serii NCS333ASN2T1G charakteryzują się również minimalnym aliasingiem. Dzieje się tak ze względu na opatentowane przez firmę ON Semiconductor podejście do redukcji zjawiska aliasingu wykorzystujące dwa połączone kaskadowo symetryczne filtry środkowozaporowe RC dostrojone do częstotliwości czoperowej oraz jej piątej harmonicznej. W architekturze z automatycznym zerowaniem teoretycznie występuje silniejsze zjawisko aliasingu niż w stabilizowanej architekturze czoperowej. Jednak intensywność zjawiska aliasingu może różnić się znacznie i nie zawsze jest to określane w specyfikacjach. To projektant odpowiada za rozpoznanie charakterystyki używanego wzmacniacza operacyjnego pod względem aliasingu. Aliasing nie jest defektem wzmacniaczy próbkujących, ale ich zachowaniem. Znajomość tego zachowania oraz sposobów jego unikania pozwala uzyskać optymalne warunki pracy wzmacniaczy o zerowym dryfcie.

Wzmacniacze operacyjne mają również różne poziomy wrażliwości na zakłócenia elektromagnetyczne (EMI). Złącza półprzewodnikowe mogą odbierać i prostować sygnały zakłóceń elektromagnetycznych (EMI), co powoduje na wyjściu napięcie niezrównoważenia wywołane przez te zakłócenia, dodając kolejną składową do błędów całkowitych. Najbardziej narażone na zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) są wtyki wewnętrzne. W celu zmniejszenia wrażliwości na zakłócenia elektromagnetyczne (EMI), precyzyjny wzmacniacz operacyjny NCS333ASN2T1G posiada wbudowane filtry dolnoprzepustowe.

Zagadnienia dotyczące projektowania i układów

Zapewnienie optymalnego działania wzmacniacza operacyjnego wymaga od projektanta przestrzegania dobrych praktyk projektowania płytek drukowanych. Wzmacniacze operacyjne wysokiej precyzji są wrażliwymi urządzeniami. Ważne jest na przykład umieszczenie kondensatorów odsprzęgających 0,1µF możliwie blisko wtyków zasilających. Ponadto podczas tworzenia połączeń bocznikowych, ścieżki płytki drukowanej powinny być jednakowej długości, jednakowych rozmiarów i możliwie krótkie. Wzmacniacz operacyjny i rezystor bocznikowy powinny znajdować się po tej samej stronie płytki, a w przypadku zastosowań wymagających najwyższego poziomu dokładności należy używać boczników czterozaciskowych, zwanych również bocznikami Kelvina. Użycie łącznie tych technik pozwala obniżyć podatność na zakłócenia elektromagnetyczne (EMI).

Zawsze należy przestrzegać zaleceń producenta bocznika dotyczących jego podłączania. Nieprawidłowe podłączenie spowoduje dodatkowe niepożądane rezystancje pasożytnicze odprowadzeń i zwiększy błąd pomiaru (ilustracja 6).

Ilustracja 6: podłączenie do dwuzaciskowego rezystora bocznikowego ilustrujące rezystancje pasożytnicze (R_Lead oraz R_Sense). (Źródło ilustracji: ON Semiconductor)

Na dokładność mogą wpływać zależne od temperatury zmiany napięcia niezrównoważenia na wtykach wejściowych. W celu zminimalizowania tych zmian, projektanci powinni używać metali o niskich współczynnikach termoelektrycznych oraz unikać gradientów temperatury spowodowanych przez źródła ciepła lub wentylatory chłodzące.

Podsumowanie

Istnieje stale rosnące zapotrzebowanie na precyzyjne i dokładne kondycjonowanie sygnałów w wielu zastosowaniach przemysłowych. Temu wzrostowi towarzyszy popyt na kompaktowe rozwiązania niskiej mocy. Wzmacniacze operacyjne są kluczowymi komponentami w kondycjonowaniu sygnału, jednak projektanci musieli dodawać automatyczną kalibrację i inne mechanizmy pozwalające zapewnić stabilność w czasie i wraz ze zmianami temperatury, co zwiększało poziom złożoności, koszta oraz zużycie energii.

Na szczęście projektanci mogą skorzystać ze wzmacniaczy operacyjnych o zerowym dryfcie i wysokich parametrach, posiadających automatyczną kalibrację, bardzo niskie napięcia niezrównoważenia oraz niemal zerowy dryft czasowy i temperaturowy. Dodatkowo charakteryzują się one niskim zużyciem energii, szerokim zakresem dynamicznym, niewielkimi rozmiarami, wysokimi współczynnikami tłumienia sygnału współbieżnego (CMRR) i wpływu zasilania (PSRR), wysokim wzmocnieniem w otwartej pętli, które to parametry są kluczowe w zastosowaniach przemysłowych.

Rekomendowane artykuły

1. Zastosowanie zaawansowanych czujników i algorytmów w niedrogich rozwiązaniach śledzenia ruchów