Hoe gebruik je zero-drift-opamps om een nauwkeurige, low-power industriële systeemcontrole te bereiken?

Nu industriële systemen steeds meer overgaan van mechanische naar elektronische besturing, zien fabrikanten winst in zowel de kwaliteit van het product als de veiligheid van de werknemers; dit laatste is vooral te danken aan het feit dat de werknemers beter beschermd zijn tegen zware omstandigheden. Het zijn echter die ruwe omgevingen, met extreme temperaturen en elektrische ruis en elektromagnetische interferentie (EMI), die een goede signaalconditionering zo essentieel maken voor het behoud van zowel de stabiliteit van het circuit als de gevoeligheid die nodig is voor een betrouwbare, nauwkeurige en nauwkeurige controle over de levensduur van industriële machines.

Een kritische component in de signaalconditioneringsketen is de operationele versterker (op-amp), een high-gain DC-differentiaalversterker die wordt gebruikt om de benodigde signalen te verkrijgen en te versterken. Standaard opamps zijn gevoelig voor temperatuurafwijkingen en hebben een beperkte precisie en nauwkeurigheid; dus, om aan de industriële eisen te voldoen, voegen ontwerpers een of andere vorm van automatische kalibratie op systeemniveau toe. Het probleem is dat deze kalibratiefunctie complex te implementeren kan zijn en het stroomverbruik verhoogt. Het vereist ook meer ruimte op het bord en draagt bij aan de kosten en de ontwerptijd.

In dit artikel worden de signaalconditioneringsvereisten van industriële toepassingen besproken en wordt aangegeven waar ontwerpers zich zorgen over moeten maken. Het introduceert dan krachtige nul-drift opampoplossingen van ON Semiconductor en laat zien waarom en hoe ze kunnen worden gebruikt om te voldoen aan de industriële signaalconditioneringsvereisten. Andere relevante kenmerken van deze apparaten zoals hoge common mode afwijzingsverhoudingen (CMRR's), hoge voedingsafkeurverhoudingen (PSRR's) en hoge open-loop gain zullen ook worden onderzocht.

Industriële signaalconditioneringstoepassingen

In industriële systemen wordt vaak gebruik gemaakt van lage stroomdetectie en sensorinterfaces. Vanwege de zeer kleine differentiële signalen die met deze circuits gepaard gaan, hebben ontwerpers behoefte aan hoognauwkeurige opamps.

Lage stroomdetectie wordt gebruikt om overstroomcondities te detecteren en wordt vaak gebruikt bij terugkoppelingscontrole (Afbeelding 1). Een meetweerstand met lage waarde (<100 milliohm (mΩ)) wordt in serie geplaatst met de belasting naar aarde. De lage waarde van de weerstand vermindert het vermogensverlies en de warmteontwikkeling, maar resulteert in een navenant klein spanningsverlies. Een nauwkeurige zero-drift op-amp kan worden gebruikt om de spanningsval over de meetweerstand te versterken met een versterking die is ingesteld door externe weerstanden R1, R2, R3 en R4 (waarbij R1 = R2, R3 = R4). Precisie-weerstanden zijn nodig voor een hoge nauwkeurigheid en de versterking is zo ingesteld dat de volledige schaal van de analoog-digitaal-omzetter (ADC) wordt gebruikt voor de hoogste resolutie.

Afbeelding 1: Lage stroomdetectie die de op-amp-interface tussen de detectieweerstand en de ADC toont. (Afbeelding: ON Semiconductor)

Sensors voor het meten van rek, druk en temperatuur in industriële en instrumentatiesystemen zijn vaak geconfigureerd in een Wheatstone-brugconfiguratie (Afbeelding 2). De verandering van de sensorspanning die de meting levert kan vrij klein zijn en moet worden versterkt voordat de meting in de ADC wordt uitgevoerd. Precisie zero-drift op-amps worden vaak gebruikt in deze toepassingen vanwege hun hoge versterkingen, lage ruis en lage offsetspanningen.

Afbeelding 2: Precisie-opamps worden vaak gebruikt met Wheatstone-bruggen om het signaal van sensors voor rek, druk en temperatuur te versterken alvorens dat signaal naar een ADC te sturen. (Afbeelding: ON Semiconductor)

Belangrijkste parameters voor precisie-op-amps

Offsetspanning, offset spanningsafwijking, gevoeligheid voor ruis en open-loop spanningsversterking zijn de belangrijkste parameters die de op-amp prestaties in de stroomdetectie- en sensor-interfacetoepassingen beperken (Tabel 1).

Tabel 1: Belangrijke parameters voor precisie op-amps die de nauwkeurigheid en precisie beïnvloeden. (Afbeelding: ON Semiconductor)

Ingangsoffsetspanning (aangeduid met V_OS of V_IO, afhankelijk van de fabrikant) komt voort uit onvolkomenheden in het halfgeleiderfabricageproces die een verschil in spanning tussen V_IN+ en V_IN- veroorzaken. Het is een deel-naar-deel-variant die over de temperatuur kan drijven en die positief of negatief kan zijn, waardoor het moeilijk is om te kalibreren. De inspanningen van de ontwerpers om de offset of drift in standaard op-amps te verminderen, maakt het niet alleen ingewikkelder, maar kan in sommige gevallen ook leiden tot een hoger stroomverbruik.

Denk bijvoorbeeld aan stroomdetectie met behulp van een op-amp in een verschilversterkerconfiguratie (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: Stroomdetectie met een op-amp in een verschilversterkerconfiguratie. De lage offsetspanning is kritisch omdat de ingangs-offsetspanning wordt versterkt door de ruisversterking, waardoor een offsetfout aan de uitgang ontstaat (genoteerd als "Fout vanwege V_OS"). (Afbeelding: ON Semiconductor)

De uitgangsspanning is de som van de signaalversterkingsterm (_VSENSE) en de ruisversterkingsterm (V_OS), zoals in vergelijking 1 wordt getoond:

Vergelijking 1

Als interne opamp-parameter wordt de ingangs-offsetspanning vermenigvuldigd met de ruisversterking en niet met de signaalversterking, wat resulteert in een uitgangs-offsetfout ("Fout vanwege V_OS" in Afbeelding 2). Precisie-opamps minimaliseren de offsetspanning zoveel mogelijk met behulp van verschillende technieken. Bij zero-drift opamps geldt dit met name voor laagfrequente en DC-signalen. De offsetspanning van precisie-zero-drift opamps kan meer dan twee ordes van grootte lager zijn dan die van general purpose op-amps (Tabel 2).

Tabel 2: In een vergelijking van de maximale offsetspanning van geselecteerde universele opamps en choppergestabiliseerde zero-drift opamps kan de offsetspanning van precisie-zero-drift opamps meer dan twee orden van grootte lager zijn. (Afbeelding: ON Semiconductor)

Zero-drift-opamps

Met hun verbeterde prestaties kunnen ontwerpers voldoen aan de signaalconditioneringsvereisten van industriële toepassingen met behulp van zero-drift-opamps. Twee voorbeelden van zero-drift opamps die verschillende prestatieniveaus bieden zijn ON Semiconductor's NCS325SN2T1G en de NCS333ASN2T1G. Ontwerpers kunnen het NCS325SN2T1G-apparaat gebruiken voor precisietoepassingen die kunnen profiteren van een 50 microvolt (µV) offset en een drift van 0,25 µV/°C, terwijl de NCS333ASN2T1G-familie geschikt is voor de meest veeleisende hoge-precisietoepassingen, met een offset van 10 µV en een drift van slechts 0,07 µV/°C. Deze twee opamps bereiken een zero-drift met behulp van verschillende interne architecturen.

De NCS333ASN2T1G maakt gebruik van een choppergestabiliseerde architectuur, die het voordeel biedt dat het spanningsverloop over temperatuur en tijd tot een minimum wordt beperkt (Afbeelding 4). In tegenstelling tot de klassieke chopperarchitectuur heeft de choppergestabiliseerde architectuur twee signaalpaden.

Afbeelding 4: De NCS333ASN2T1G heeft twee signaalpaden: het tweede pad (bodem) bemonstert de ingangs-offsetspanning, die wordt gebruikt om de offset aan de uitgang te corrigeren. (Afbeelding: ON Semiconductor)

In Afbeelding 4 is het onderste signaalpad de plaats waar de chopper de ingangs-offsetspanning bemonstert, die vervolgens wordt gebruikt om de offset aan de uitgang te corrigeren. De offsetcorrectie vindt plaats bij een frequentie van 125 kilohertz (kHz). De choppergestabiliseerde architectuur is geoptimaliseerd voor de beste prestaties bij frequenties tot de verwante Nyquist-frequentie (1/2 van de offset-correctiefrequentie). Aangezien de signaalfrequentie hoger is dan de Nyquist-frequentie, 62,5 kHz, kan er aliasing optreden aan de uitgang. Dit is een inherente beperking van alle chopper- en choppergestabiliseerde architecturen.

Desondanks heeft de NCS333ASN2T1G-opamp een minimale aliasing tot 125 kHz en een lage aliasing tot 190 kHz. ON Semiconductor's gepatenteerde aanpak maakt gebruik van twee cascade, symmetrische, weerstand-capacitor (RC) inkepingsfilters die zijn afgestemd op de frequentie van de chopper en zijn vijfde harmonische om aliasing-effecten te verminderen.

Auto-zero-architectuur

Een andere benadering van zero-drift op-amps is de auto-zero-architectuur (figuur 5). Het auto-zero-ontwerp heeft een hoofdversterker en een nulversterker. Het maakt ook gebruik van een geklokt systeem. In de eerste fase houden de geschakelde condensatoren de offsetfout van de vorige fase op de nulversterkeruitgang. In de tweede fase wordt de offset van de nulversterkeruitgang gebruikt om de offset van de hoofdversterker te corrigeren. De NCS325SN2T1G van ON Semiconductor is gebouwd met behulp van de auto-zero architectuur.

Afbeelding 5: Vereenvoudigd blokschema van een auto-zero-op-amp zoals de NCS325SN2T1G die de geschakelde condensators toont. (Afbeelding: ON Semiconductor)

Naast de verschillen tussen de NCS333ASN2T1G (choppergestabiliseerde architectuur) en NCS325SN2T1G (auto-zero architectuur) in termen van offsetspanning en drift, zoals hierboven beschreven, veroorzaken de verschillende architecturen verschillen in open-loop spanningsversterking, geluidsprestaties en aliasing gevoeligheid. De NCS333ASN2T1G heeft een open-loop spanningsversterking van 145 decibel (dB), terwijl de NCS325SN2T1G een open-loop spanningsversterking van 114 dB heeft. Gezien het geluid heeft de NCS333ASN2T1G een CMRR van 111 dB en een PSRR van 130 dB, terwijl de NCS325SN2T1G een CMRR van 108 dB en een PSRR van 107 dB heeft. Beide hebben zeer goede beoordelingen, maar de NCS333ASN2T1G presteert beter dan de NCS325SN2T1G.

De NCS333ASN2T1G serie op-amps hebben ook een minimale aliasing. Dit komt door de gepatenteerde aanpak van ON Semiconductor die gebruik maakt van twee cascades, symmetrische, RC-inkepingsfilters die zijn afgestemd op de chopperfrequentie en de vijfde harmonische om aliasing-effecten te verminderen. In theorie zal een auto-nul-architectuur een dramatischer aliasing vertonen dan een choppergestabiliseerd type. Maar de aliasing-effecten kunnen sterk verschillen en zijn niet altijd gespecificeerd. Het is aan de ontwerper om de aliasing karakteristieken van de gebruikte specifieke op-amp te begrijpen. Aliasing is geen defect van bemonsteringsversterkers, het is een gedrag. Kennis van dit gedrag en hoe het te vermijden kan ervoor zorgen dat zero-drift versterkers op hun best werken.

Tot slot hebben op-ampers een wisselende hoeveelheid EMI-gevoeligheid. Halfgeleiderverbindingen kunnen EMI-signalen oppikken en corrigeren, waardoor een EMI-geïnduceerde spanningscorrectie aan de uitgang ontstaat en een andere component aan de totale fout wordt toegevoegd. Invoerpinnen zijn het meest gevoelig voor EMI. De hoge precisie NCS333ASN2T1G-opamp integreert laagdoorlaatfilters om de gevoeligheid voor EMI te verminderen.

Overwegingen met betrekking tot het ontwerp en de indeling

Om optimale op-amp prestaties te garanderen, is het verplicht dat ontwerpers goede pc-bordontwerppraktijken volgen. Hoge precisie opamps zijn gevoelige apparaten. Het is bijvoorbeeld belangrijk om 0,1 microfarad (µF) ontkoppelingscondensators zo dicht mogelijk bij de voedingsponnen te plaatsen. Ook bij het maken van een shuntverbinding moeten de sporen van de printplaat even lang, even groot en zo kort mogelijk zijn. De op-amp en de shuntweerstand moeten zich aan dezelfde kant van het bord bevinden, en voor toepassingen die het hoogste niveau van nauwkeurigheid vereisen, moeten vier-terminale shunts, ook wel Kelvin shunts genoemd, worden gebruikt. Deze gecombineerde technieken zullen de EMI-gevoeligheid verminderen.

Volg altijd de aanbevelingen van de fabrikant van de shunt om deze aan te sluiten. Een onjuiste verbinding zal leiden tot een ongewenste verdwaalde kabel en zal weerstand voelen tegen de meting en de fouten vergroten (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: Aansluiting op een twee-terminal-shuntweerstand die zwerfweerstanden (R_Lead en R_Sense) weergeeft. (Afbeelding: ON Semiconductor)

De nauwkeurigheid kan worden beïnvloed door temperatuurafhankelijke spanningsvariaties op de ingangspennen. Om deze variaties te minimaliseren, moeten ontwerpers metalen met lage thermo-elektrische coëfficiënten gebruiken en temperatuurgradiënten van warmtebronnen of koelventilators voorkomen.

Conclusie

De behoefte aan precieze en nauwkeurige signaalconditionering groeit in een hele reeks industriële toepassingen. Deze groei wordt begeleid door de behoefte aan compacte oplossingen met een laag vermogen. Op-ampers zijn kritische componenten in de signaalconditionering, maar ontwerpers hebben auto-kalibratie en andere mechanismen moeten toevoegen om de stabiliteit over tijd en temperatuur te garanderen, waardoor de complexiteit, de kosten en het extra stroomverbruik toenemen.

Gelukkig kunnen ontwerpers zich wenden tot hoogwaardige zero-drift opamps met continue zelfkalibratie, zeer lage offset spanningen, en bijna zero-drift over tijd en temperatuur. Bovendien hebben ze een laag stroomverbruik over een groot dynamisch bereik, zijn ze compact en hebben ze hoge CMRR's, hoge PSRR's en een hoge open-loop gain, allemaal belangrijke kenmerken voor industriële toepassingen.

Aanbevolen leesmateriaal

1. Toepassen van geavanceerde sensors en algoritmen voor het volgen van bewegingen tegen lage kosten