Hoe gaat u te werk bij het kiezen en gebruiken van precisie-opamps

Bij het ontwerpen van front-end signaalconditioneringssystemen, verkiezen ontwerpers over het algemeen gemakkelijk verkrijgbare, grootschalige, in hoge mate geïntegreerde data-acquisitie-IC's boven discrete oplossingen, om de kosten, tijd, grootte en hoeveelheid onderdelen op de stuklijst (BOM) te beperken. Er zijn echter toepassingen, zoals hoogwaardige test-, metings- en instrumentatiesystemen, waar de discrete opamp, die verbonden is met een specialistische sensor, een kritisch front-end component wordt die speciale aandacht behoeft.

Deze precisie-opamp met enkele functie is een specialistisch apparaat dat zich onderscheidt door een extreem lage spanningsoffset, offset-drift en ingangsstelstroom en tegelijkertijd ook bandbreedte, ruis en vermogensdissipatie balanceert.

Bij het gebruik van deze precisieapparaten zie ontwerpers zich voor twee uitdagingen gesteld: het apparaat kiezen dat het best geschikt is voor de toepassing en ervoor zorgen dat het volledige prestatiepotentieel ervan wordt benut. Het laatste punt vereist inzicht in de werking van het apparaat en een correcte toepassing, om niet per ongeluk enkele van de precisiekenmerken teniet te doen.

Dit artikel gaat in op de rol en de nuances van precisie-opamps en de overwegingen die gemaakt moeten worden bij het ontwerpen met deze opamps. Vervolgens wordt aan de hand van deze ontwerpoverwegingen getoond hoe een precisie-op versterker kan worden geselecteerd en effectief kan worden gebruikt met behulp van voorbeeldoplossingen van Analog Devices.

De rol van precisie-opamps

De aantrekkingskracht van een grootschalig IC met een potentieel minder precieze opamp is, dat het mogelijk is om de prestaties van het sensorkanaal te garanderen door de onvolkomenheden van de opamp eenvoudig “weg te kalibreren". Dit is echter bijzonder tijdrovend; en de realiteit is dat een nauwkeurige kalibratie van sensors en de front-ends van hun kanalen zeer moeilijk is, vooral als het systeem eenmaal geïnstalleerd is. Om dit op de juiste waarde te schatten, is het belangrijk om naar de rol van precisie-opamps te kijken.

Precisie-opamps worden primair gebruikt tussen sensors zoals spanningsmeters, ultrasone piëzo-elektrische transducers en fotodetectors om de uitgangssignalen hiervan op te vangen zonder de fragiele transduceruitgang te belasten. De opamps brengen dat geconditioneerde signaal vervolgens nauwkeurig over naar de rest van de analoge signaalketen, die gewoonlijk eindigt met een analoog/digitaal-omzetter (ADC). Ze worden ook gebruikt in analoge filters, zonder vervorming of DC-offset van het signaal van interesse.

In deze toepassingen is het van kritiek belang dat de prestatie van de opamps lineair, herhaalbaar en stabiel is met betrekking tot tijd, temperatuur en voedingsrail. Bovendien is in de meeste gevallen lage ruis vereist (aangezien de sensoruitvoer of andere analoge signalen gewoonlijk heel klein zijn), moet er een gelijkmatige respons zijn over het spectrum en een hoge slew met minimale overshoot en 'rinkelen'. In vele gevallen werkt de toepassing op batterijvoeding en is het dus een vereist dat de opamp zo min mogelijk stroom verbruikt in zowel de actieve modus als de slaapstand.

De precisie-opamp met enkele functie wordt schematisch voorgesteld door het standaard opamp-symbool (Afbeelding 1). Dit doet echter geen recht aan de complexiteit van wat in feite een specialistisch discreet apparaat is.

Afbeelding 1: het schematische symbool voor de precisie-opamp is hetzelfde als voor de standaard opamp, zonder vermelding van de klasse, het prestatieniveau of de parameters van dit fundamentele en kritieke front-end signaalverwerkingsapparaat. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Prestatieparameters voor opamps, die vaak tweede- en derderangs factoren zijn in niet-precisie-toepassingen, worden bij precisie-opamps doorslaggevende factoren. Het gaat onder meer om ruis, gewoonlijk gespecificeerd in microvolt (µV) of nanovolt (nV) per wortel-hertz (√Hz), ingangs-offsetspanning en bijbehorende drift, ingangsinstelstroom en bijbehorende drift, alsmede gebruikelijke factoren als versterking, bandbreedte en slew-rate.

Zowel ingangs-offsetspanning als ingangsinstelstroom verdienen een nadere beschouwing:

Ingangs-offsetspanning is de DC (gelijkstroom)-spanning die moet worden aangelegd tussen de twee ingangsaansluitklemmen van een opamp om de uitgang op nul te zetten. Elke offsetspanning zal worden versterkt door de versterking van de opamp en zo bijdragen aan de uitvoerfout, als functie van de instelling van de versterking van de opamp.

Ingangsinstelstroom is de kleine hoeveelheid stroom die door de ingangsaansluitingen van de opamp gaat, om de interne circuits ervan correct te polariseren. Het probleem dat kan ontstaan, is het ontbreken van een retourpad naar de sensorbron voor deze stroom, omdat zowel de inverterende als de niet-inverterende ingangsinstelstromen van de opamp dezelfde weg willen nemen, de opamp in of uit.

Een ander mogelijk probleem met ingangsinstelstromen is dat deze een ongewenste spanningsval over de weerstand van de met de ingang verbonden sensor kunnen veroorzaken. Als deze weerstand laag is (en vaak is dat zo), kan deze resulterende offset onbeduidend zijn; als de ingangsweerstand zeer hoog is, zoals bij de elektrode van een pH-sonde met weerstand in de orde van diverse megaohms, kan dit een groot probleem vormen.

Voor deze en andere opamp-parameters, is door de temperatuur veroorzaakte drift in de waarden ook een probleem. Veranderingen die het gevolg zijn van drift, zijn moeilijk te corrigeren. Fouten bij nominale temperatuur kunnen echter worden gecompenseerd door handmatige hardware-aanpassingen, alhoewel deze extra kosten en tijd met zich meebrengen, of door correcties in de software.

Verder kunnen er veranderingen in de prestaties van de opamp optreden als gevolg van veroudering en van de temperatuur, en die verouderingswaarde is onvoorspelbaar. Veel gegevensbladen van precisie-opamps geven verouderingsspecificaties voor belangrijke parameters, maar veroudering is een willekeurig proces en kan als zodanig alleen worden gekarakteriseerd door waarschijnlijke waarden, niet door definitieve waarden.

Ongeacht het scenario is een betrouwbare meting van de ingangs-offsetspanning en instelstroom van deze precisieapparaten tamelijk moeilijk en vormt ook het implementeren van nuttige en effectieve compensatieschema's een uitdaging. Een betere aanpak is om alleen producten te kiezen die beschikken over een uitgebreid gegevensblad met tabellen en grafieken die alle relevante prestatie-aspecten karakteriseren en definiëren en tevens toepassingsinformatie geven.

Hoe u uit een precisie-opamp haalt wat u nodig heeft

Iedere implementatie van opamps vertegenwoordigt een afweging tussen de verschillende ontwerp-, proces-, afstel-, en testaspecten van een apparaat uit de realiteit. Voor precisie-opamps betekenen de subtiele verschillen ten opzichte van standaard apparaten dat de ontwerper moet bepalen welke parameters en waarden de prioriteit hebben en voor elk hiervan beslissen hoe zwaar ze wegen.

Neem bijvoorbeeld twee families van precisie-opamps van Analog Devices: de ADA4805-1 met enkel kanaal en de ADA4805-2 met dubbel kanaal en de ADA4896-2 met dubbel kanaal.

Alhoewel deze apparaten voor wat betreft de basisfunctie sterk op elkaar lijken, vertonen ze een aantal belangrijke onderlinge verschillen, zoals ook blijkt uit de specificaties (Tabel 1). Als een lagere spanningsruis een ontwerpprioriteit is, lijkt de ADA4896 de beste keus te zijn, maar dit apparaat heeft wel een hogere stroomruis en ingangs-offsetspanning dan de ADA4805-familie. Er moeten natuurlijk vele andere afwegingen tussen de twee families worden gemaakt, zoals vermogen, common mode-spanning en andere factoren.

Tabel 1: de families van precisie-opamps ADA4805 en ADA4896 vertonen grote verschillen met betrekking tot bijvoorbeeld stroomruis, ingangs-offsetspanning en andere parameters. (Bron tabelgegevens: DigiKey)

Ook de uitgang is belangrijk

Alhoewel ingangskarakteristieken en prestaties belangrijke factoren zijn bij het beoordelen van precisie-opamps, verdient ook de uitvoer de nodige aandacht. Enkele belangrijke factoren zijn de slewrate en uitgangsschommeling (swing). De ADA4805 apparaten hebben bijvoorbeeld een intern slew-versterkingscircuit dat de slewrate opvoert naarmate de feedback-foutspanning toeneemt, hetgeen een snellere respons en settling van de versterker bij ingangen met grote stapgrootte mogelijk maakt (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: staprespons van de ADA4805 voor geselecteerde uitgangsstapgroottes. De ADA4805 heeft een intern slew-versterkingscircuit dat de slew-rate opvoert naarmate de feedback-foutspanning toeneemt, hetgeen een snellere respons en settling van de versterker bij ingangen met grote stapgrootte mogelijk maakt. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Onthoud dat veel van de sensorsignalen waarvoor deze opamps conditionering verstrekken geen stapingangen zijn, aangezien deze sensors vaak van het type met multiplexer zijn. Daarom kan de opamp stapveranderingen zien wanneer de multiplexer (mux) tussen kanalen wisselt. De impact van de slew-versterking in de ADA4805-apparaten is ook te zien in de grote signaalfrequentierespons, waar grotere ingangssignalen een lichte toename in de pieken veroorzaken (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: het pieken van frequentieresponsen voor de ADA4805 is een functie of het signaalniveau, hier getoond met een versterking van +1. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Wanneer de ADA4805-versterker wordt uitgeschakeld, gaat zijn uitvoer naar een status met hoge impedantie, waarbij de impedantie afneemt naarmate de frequentie toeneemt. De ADA4805-apparaten leveren 62 dB voorwaartse isolatie bij 100 kilohertz (kHz) in de uitschakelmodus (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: de voorwaartse/Off-isolatie van de ADA4805 is een functie van frequentie, die afneemt naarmate de frequentie stijgt. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Een precisie-opamp zoals de ADA4805 kan worden gebruikt voor de omzetting van de inherent met een signaal eindigende uitvoer van een sensor naar de differentiële modus waar door vele high-performance ADC's de voorkeur aan wordt gegeven; dergelijke differentiële signalen genieten de voorkeur aangezien ze ruis en harmonische vervorming beperken. Dit bereiken is een voorbeeld van een klassiek ontwerpcompromis: of je gebruikt een differentiële versterker of je configureert twee afzonderlijke fysieke versterkers om de omzetting van single-ended naar differentieel te realiseren. De eerste optie biedt meestal betere prestaties, maar kost meer dan de oplossing met twee versterkers.

De ADA4805-familie lost dit dilemma op door de voordelen van beide opties te combineren. De inherent lage harmonische vervorming, lage offsetspanning en lage instelstroom van de apparaten zorgen ervoor dat ze een differentiële uitvoer kunnen produceren die goed aansluit bij de prestaties van ADC's met hoge resolutie, en dat tegen kosten die vergelijkbaar zijn met die van oplossingen met een enkele differentiële versterker.

De dingen worden iets ingewikkelder als het gaat om het aansturen van capacitieve belastingen. Capaciteit op de uitgang van een versterker creëert een vertraging (faseverschuiving) binnen het terugkoppelingspad die tot overmatig rinkelen en oscilleren kan leiden als het binnen de bandbreedte van de lus is. De respons-versterkingscurve van de ADA4896-2 laat bijvoorbeeld zien dat het pieken voornamelijk bij een versterking van +2 gebeurt (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: frequentierespons klein signaal uitgezet tegen versterking voor de ADA4896-2 laat zien hoe deze varieert wanneer de versterking verandert (met R_L = 1 kilo-ohm (kΩ); wanneer G = +1, R_F = 0 ohm (Ω); anders R_F = 249 Ω). (Bron afbeelding: Analog Devices)

De standaard oplossing voor dit ongewenst pieken is de toevoeging van een in serie met de versterkeruitgang en diens capacitieve belasting geschakelde 'dempingsweerstand van lage waarde om het probleem te minimaliseren. Een kleine dempingsweerstand ('snubber') van 100 Ω leidt tot volledige eliminatie van het pieken, maar heeft ook een nadeel, aangezien de gesloten-lus versterking met 0,8 dB wordt gereduceerd door de verzwakking op de uitgang. De waarde van de 'dempingsweerstand’ kan tussen de 0 Ω en 100 Ω worden afgesteld om een aanvaardbaar niveau van pieken en gesloten-lus versterking te bieden (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: gebruik van een 'dempingsweerstand' (R_SNUB) op de uitgang leidt tot een beperking van het pieken voor de frequentierespons in het slechtste geval van de ADA4896-2, getoond met een versterking van +2. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Door gebruik van een versterker met selecteerbare versterking kan de signaalketen een breed scala aan mogelijke ingangssignalen ontvangen. In een traditionele versterker met selecteerbare versterking, zijn schakelaars in de terugkoppelingslus verbonden met de inverterende ingang. De kleine maar onvermijdelijke weerstand van deze schakelaars verslechtert de ruis van de versterker en voegt tegelijkertijd een significante capaciteit toe op de knoop van de inverterende ingang, allebei zaken die het lage ruisniveau van de opamp ondermijnen. Verder dragen de weerstanden bij aan niet-lineaire versterkingsfouten, waardoor een goede werking van de opamp in gevaar wordt gebracht.

Om dit alles te voorkomen, kunnen ontwerpers een programmeerbare versterkingsschakeltopologie gebruiken die het ruisniveau van 1 nV/Hz van de ADA4896-2 handhaaft, terwijl tevens de niet-lineaire versterkingsfout wordt beperkt (Afbeelding 7). Ook door schakelaars met minimale capaciteit te selecteren, wordt de bandbreedte van het circuit geoptimaliseerd.

Afbeelding 7: de twee kanalen van de ADA4896-2 plus de analoge schakelaar ADG633 kunnen worden gebruikt voor het bouwen van een versterker met lage ruis en selecteerbare versterking met beperkte niet-lineaire versterkingsfout, voor aansturing van een belasting met lage weerstand. (Bron afbeelding: Analog Devices)

De instelstroom van de ingangsversterker is weliswaar gering maar kan een offset op de uitgang veroorzaken die varieert op grond van de instelling van de versterking. Echter, aangezien de ingangsversterker- en uitgangsbuffertrappen van de ADA4896-2 beiden deel uitmaken van een enkel, uit één stuk bestaand apparaat, zijn hun instelstromen nauw op elkaar afgestemd. Deze eigenschap zal de variërende offset voor een groot deel opheffen.

Overwegingen ten aanzien van verpakking en lay-out

Een precisie-opamp is meer dan een zorgvuldig ontworpen, op een halfgeleiderchip gefabriceerd circuit. Hoe de opamp verpakt is, en hoe die verpakking wordt geïmplementeerd, is van invloed op hoe goed het apparaat presteert in vergelijking met wat het gegevensblad zegt dat het onder "perfecte" omstandigheden kan doen.

Net als bij precisiespanningsreferenties, wordt de verpakking van opamps blootgesteld aan geringe hoeveelheden mechanische spanning door de plaatsing en het soldeerproces, maar ook door de normale buiging en trillingen van de printplaat nadat deze in gebruik is gesteld. De resulterende belasting kan kleine, maar mogelijk significante veranderingen in de prestaties van het apparaat veroorzaken. Dit is te wijten aan het piëzo-elektrische effect op de chipkristal en ook aan andere materiaaleigenschappen.

Daarom is het belangrijk om ervoor te zorgen dat de printplaat voldoende start is, en deze eventueel van extra ondersteuning te voorzien. Het kan zelfs nodig zijn om de printplaat aan thermische cycli bloot te stellen alvorens hem definitief te installeren, om mogelijke spanningen af te voeren.

Net als bij vele analoge circuits, met name precisiecircuits, zijn de lay-out en aarding belangrijke factoren voor een succesvol ontwerp. Het is van cruciaal belang om de voeding te bypassen met behulp van parallel geschakelde condensators van zowel hogere als lagere waarden. Het bypass-paar bestaat gewoonlijk uit een elektrolytische condensator van 10 microfarad (µF) die parallel is geschakeld met een keramische condensator van 0,1 µF. De condensator met de kleinste waarde moet aan dezelfde kant van de printplaat worden geplaatst als de versterker, en zo dicht als mogelijk is bij diens voedingspennen.

Vergelijking tussen apparaten met enkel en dubbel kanaal

De keuze tussen de versies met enkel of dubbel kanaal van een precisie-opamp houdt een aantal klassieke afwegingen en compromissen in (Afbeelding 8). Een dubbel apparaat heeft bijvoorbeeld een kleinere voetafdruk van de verpakking per functie, en neemt ook minder ruimte in omdat er minder bypass-condensators nodig zijn.

Afbeelding 8: pin-out van de ADA4805-1 in een 6-draads SOT-23 verpakking (links); pin-out van de ADA4805-2 in een 8-draads MSOP (rechts). (Bron afbeelding: Analog Devices)

Afhankelijk van het schakelschema, kan het gebruik van een dubbel apparaat echter vereisen dat ingangssignaalsporen van laag niveau over langere afstanden worden uitgevoerd; dit neemt ruimte in beslag, bemoeilijkt het ontwerp en leidt tot het oppikken van meer ruis. Daarom moet bij de beslissing om twee apparaten met enkel kanaal te gebruiken of een enkel apparaat met dubbel kanaal worden gekeken naar zaken als de nabijheid van de respectieve versterkerfuncties, geaggregeerde IC en gerelateerde passieve voetafdruk van het apparaat en elektrische prestaties en moet niet alleen worden gestreefd naar het vereenvoudigen van de stuklijst.

Contra-intuïtieve aardingsregels voor precisie-opamps

De aardingsregels voor precisie-opamps druisen enigszins in tegen wat ontwerpers van printplaat-lay-outs vaak veronderstellen, namelijk dat het hebben van meer aardingsgebieden en -vlakken een goede zaak is.

Bij precisie-opamps is het belangrijk om aarding in de gebieden onder en rond hun ingangen en uitgangen te vermijden, aangezien zwerfcapaciteit, die wordt gecreëerd tussen het grondvlak en de ingangs- en uitgangsblokken, nadelig is voor de prestaties van de hogesnelheidsversterker. Zwerfcapaciteit op de inverterende ingang zorgt, samen met de versterkeringangscapaciteit, ook voor een verlaging van de fasemarge en kan instabiliteit veroorzaken. Aan de uitgang creëert zwerfcapaciteit een pool in de terugkoppelingslus die ook de fasemarge kan reduceren en ervoor kan zorgen dat het circuit onstabiel wordt.

Aan de slag met precisie-opamps

Het verkennen van de vele subtiliteiten in de werking van deze opamps wordt vereenvoudigd door het gebruik van door de leverancier geleverde evaluatieborden. Gelukkig zijn de pin-outs van de meeste opamps in een bepaalde verpakking grotendeels gestandaardiseerd binnen de portfolio van een leverancier (en in grote mate ook binnen de branche), dus één evaluatiebord kan voor vele opamp-modellen worden gebruikt.

De EVAL-HSAMP-2RMZ-8 van Analog Devices is bijvoorbeeld een onbestukt (leeg) zes-laags evaluatiebord voor 8-draads MSOP-versterkers met dubbel kanaal. Het accepteert op de rand gemonteerde SMA-connectors op de in- en uitgangen voor efficiënte breedband-aansluiting voor het testen van apparatuur of andere circuits (Afbeelding 9).

Afbeelding 9: de EVAL-HSAMP-2RMZ-8 zes-laagse onbestukte printplaat van Analog Devices voor evaluatie van 8-draads MSOP dubbele opamps is compatibel met op de rand gemonteerde SMA connectors op de ingangen en uitgangen. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Het grondvlak en de plaatsing van de componenten van het evaluatiebord zijn zo ontworpen dat parasitaire inductanties en capaciteiten tot het minimum worden beperkt, iets wat niet meteen duidelijk is als men alleen naar het schema kijkt (Afbeelding 10).

Afbeelding 10: schema van het EVAL-HSAMP-2RMZ-8 evaluatiebord van Analog Devices. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Het schema van de EVAL-HSAMP-2RMZ-8 toont onderlinge verbindingen en toewijzingen van ruimtes aan componenten, maar niet de feitelijke waarden hiervan. Dit is omdat het bord onbestukt is, om de gebruiker de mogelijkheid te geven om de prestatie te beoordelen met passieve apparaatwaarden die zijn afgestemd op de opamp en de toepassingsvereisten. De gesuggereerde evaluatiebordcomponenten zijn primair van SMT 0603 behuizingsgrootte, met uitzondering van de elektrolytische bypasscondensators (C1 en C2), met behuizingsgrootte 1206.

Conclusie

Grootschalige, in hoge mate geïntegreerde data-acquisitie-IC's kunnen de kosten, tijd, grootte en het aantal onderdelen op de stuklijst (BOM) beperken, maar voor sommige toepassingen is toch een discrete precisie-opamp nodig. Dit apparaat met één functie is uitermate specifiek, waardoor het moeilijk is de juiste keuze te maken en het volledige prestatiepotentieel te realiseren.

Wanneer men voldoende kennis heeft van de vele factoren die een rol spelen bij het selecteren van het juiste apparaat, kan het selectieproces echter sneller verlopen. Na de selectie moeten rekening worden gehouden met de beschreven factoren om de precisie-opamp op de juiste wijze toe te passen. Hierdoor wordt voorkomen dat de op het gegevensblad vermelde prestaties van het apparaat niet worden verkregen. Bovendien zijn evaluatieborden, in combinatie met kennis over plaatsing en bord-lay-out—fysieke factoren die niet in het schakelschema staan—cruciaal voor een succesvol ontwerp.