Sådan bruges nul-drift Op-forstærkere til at opnå præcis, nøjagtig industriel systemstyring med lav effekt

Da industrielle systemer i stigende grad bevæger sig fra mekanisk til elektronisk kontrol, ser producenterne gevinster i både produktkvalitet og arbejdstagernes sikkerhed; sidstnævnte skyldes hovedsageligt arbejdstagere, der er mere beskyttet mod barske miljøer. Det er dog de barske miljøer med ekstreme temperaturer såvel som elektrisk støj og elektromagnetisk interferens (EMI), der gør god signalkonditionering så kritisk for at opretholde både kredsløbets stabilitet og følsomhed, der kræves for pålidelig, præcis og nøjagtig kontrol over industrielle maskiners drift livstid.

En kritisk komponent i signalkonditioneringskæden er operationsforstærkeren (op-amp), en DC-forstærker med høj forstærkning, der bruges til at erhverve og forstærke krævede signaler. Standard op-forstærkere er modtagelige for temperaturdrift og har begrænset præcision og nøjagtighed; for at imødekomme industrielle krav tilføjer designere en eller anden form for automatisk kalibrering på systemniveau. Problemet er, at denne kalibreringsfunktion kan være kompleks at implementere og øger strømforbruget. Det kræver også mere plads på kortet og øger omkostningerne og designtiden.

Denne artikel gennemgår kravene til signalbehandling af industrielle applikationer, og hvad designere skal være bekymrede for. Det introducerer derefter højtydende nul-drift op-amp-løsninger fra ON Semiconductor og vise hvorfor og hvordan de kan bruges til at opfylde industrielle krav til signalbehandling. Andre relevante egenskaber ved disse enheder, såsom høje fælles afvisningsforhold (CMRR'er), høje strømforsyningsafvisningsforhold (PSRR'er) og høje open-loop forstærkning vil også blive undersøgt.

Industrielle signal-condition applikationer

Strømregistrering på lav side og sensorinterfaces bruges ofte i industrielle systemer. På grund af de meget små differentiale signaler forbundet med disse kredsløb har designere brug for op-forstærkere med høj nøjagtighed.

Strømregistrering på lav side bruges til at detektere overstrømsforhold og bruges ofte i feedbackkontrol (figur 1). En følsom modstand med lav værdi (<100 milliohms (mΩ)) placeres i serie med belastningen til jord. Modstandens lave værdi reducerer effekttab og varmeproduktion, men resulterer i et tilsvarende lille spændingsfald. En præcision nul-drift op-amp kan bruges til at forstærke spændingsfaldet over sensormodstanden med en forstærkning indstillet af eksterne modstande R1, R2, R3 og R4 (hvor R1 = R2, R3 = R4). Præcisionsmodstande er nødvendige for høj nøjagtighed, og forstærkningen er indstillet til at udnytte den fulde skala for analog-til-digital-konverteren (ADC) til den højeste opløsning.

Figur 1: Lavsidesstrømregistrering, der viser op-amp-interfacet mellem sensormodstanden og ADC. (Billedkilde: ON Semiconductor)

Sensorer, der bruges til at måle belastning, tryk og temperatur i industri- og instrumenteringssystemer, er ofte konfigureret i en Wheatstone-brokonfiguration (figur 2). Sensorspændingsændringen, der giver målingen, kan være ret lille og skal forstærkes, inden den går ind i ADC. Præcision nul-drift op-forstærkere bruges ofte i disse applikationer på grund af deres høje forstærkning, lave støj og lave forskydningsspændinger.

Figur 2: Præcisionsop-forstærkere bruges ofte med Wheatstone-broer til at forstærke signalet fra sensorer for belastning, tryk og temperatur, før signalet sendes til en ADC. (Billedkilde: ON Semiconductor)

Nøgleparametre til præcise op-forstærkere

Offset-spænding, offset-spændingsdrift, modtagelighed for støj og open-loop spændingsforstærkning er nøgleparametrene, der begrænser op-amp-ydeevne i nuværende sensing og sensorinterface-applikationer (tabel 1).

Tabel 1: Nøgleparametre til præcise op-forstærkere, der påvirker nøjagtighed og præcision. (Billedkilde: ON Semiconductor)

Indgangsspænding (betegnet med V_OS eller V_IO afhænger af producenten) stammer fra ufuldkommenheder i fremstillingen af halvleder, der forårsager en differentieret spænding mellem V_IN+ og V_IN-. Det er en del-til-del variation, der kan flyde over temperaturen og kan være positiv eller negativ, hvilket gør det vanskeligt at kalibrere ud. Designernes bestræbelser på at reducere offset eller drift i standard op-forstærkere tilføjer ikke kun kompleksitet, men kan i nogle tilfælde resultere i øget strømforbrug.

Overvej f.eks. strømregistrering ved hjælp af en op-forstærker i en konfiguration med forskelforstærker (figur 3).

Figur 3: Strømregistrering med en op-forstærker i en konfiguration med forskellig forstærker. Lav offset-spænding er kritisk, da input offset-spændingen forstærkes af støjforstærkningen, hvilket skaber en offset-fejl ved udgangen (bemærket som “Fejl på grund af V_OS”). (Billedkilde: ON Semiconductor)

Udgangsspændingen er summen af signalforøgelsesperioden (V._SENSE) og støjforøgelsesperioden (V_OS), som vist i ligning 1:

 Ligning 1

Som en intern op-amp parameter multipliceres input offset spændingen med støjforstærkning og ikke signalforstærkning, hvilket resulterer i en output offset fejl (“Fejl på grund af V_OS” I figur 2). Præcisions op-forstærkere minimerer forskydningsspændingen så meget som muligt ved hjælp af forskellige teknikker. I nul-drift op-ampere gælder dette især for lavfrekvens- og DC-signaler. Offset-spændingen for præcisions nul-drift op-forstærkere kan være over to størrelsesordener lavere sammenlignet med generelle formål op-forstærkere (tabel 2).

Tabel 2: I en sammenligning af den maksimale forskydningsspænding for udvalgte generelle op-forstærkere og chopper-stabiliserede nul-drift op-forstærkere, kan forskydningsspændingen for præcision nul-drift op-forstærkere være over to størrelsesordener lavere. (Billedkilde: ON Semiconductor)

Nul-drift op-forstærkere

Med deres forbedrede ydeevne kan designere opfylde kravene til signalbehandling af industrielle applikationer ved hjælp af nul-drift op-forstærkere. To eksempler på nul-drift op-forstærkere, der tilbyder forskellige præstationsniveauer, er ON Semiconductors NCS325SN2T1G og NCS333ASN2T1G. Designere kan bruge NCS325SN2T1G-enheden til præcisionsapplikationer, der kan drage fordel af en 50 mikrovolt (µV) forskydning og en drift på 0,25 µV/°C, mens NCS333ASN2T1G-familien er velegnet til de mest krævende applikationer med høj præcision og leverer en 10 µV forskydning og en drift på kun 0,07 µV/°C. Disse to op-forstærkere opnår nul-drift ved hjælp af forskellige interne arkitekturer.

NCS333ASN2T1G bruger en chopper-stabiliseret arkitektur, som giver fordelen ved at minimere forskydning af forskydningsspænding over temperatur og tid (figur 4). I modsætning til den klassiske chopper-arkitektur har den chopper-stabiliserede arkitektur to signalveje.

Figur 4: NCS333ASN2T1G har to signalstier: den anden sti (nederst) prøver input offset-spændingen, som bruges til at korrigere offset ved output. (Billedkilde: ON Semiconductor)

I figur 4 er den nedre signalsti, hvor chopperen prøver indgangsspændingen, som derefter bruges til at korrigere forskydningen ved udgangen. Offsetkorrektionen sker ved en frekvens på 125 kilohertz (kHz). Den chopper-stabiliserede arkitektur er optimeret til den bedste ydeevne ved frekvenser op til den relaterede Nyquist-frekvens (1/2 af offsetkorrektionsfrekvensen). Da signalfrekvensen overstiger Nyquist-frekvensen, 62,5 kHz, kan der forekomme aliasing ved udgangen. Dette er en iboende begrænsning af alle chopper og chopper-stabiliserede arkitekturer.

Ikke desto mindre har NCS333ASN2T1G op-amp minimal aliasing op til 125 kHz og lav aliasing op til 190 kHz. ON Semiconductors patenterede tilgang anvender to kaskadeformede, symmetriske, modstandskondensator (RC) hakfiltre, der er indstillet til chopper-frekvensen og dens femte harmoniske for at reducere aliaseffekter.

Auto-nul arkitektur

En anden tilgang til nul-drift op-ampere er auto-nul-arkitekturen (figur 5). Auto-nul-designet har en hovedforstærker og en nulling-forstærker. Det bruger også et uret system. I den første fase holder de omskiftede kondensatorer forskydningsfejlen fra den foregående fase på nul-forstærkerudgangen. I den anden fase bruges forskydningen fra nul-forstærkerens output til at korrigere forskydningen af hovedforstærkeren. NCS325SN2T1G fra ON Semiconductor er bygget ved hjælp af auto-nul-arkitekturen.

Figur 5: Forenklet blokdiagram over en auto-nul op-forstærker som NCS325SN2T1G, der viser de skiftede kondensatorer. (Billedkilde: ON Semiconductor)

Ud over forskellene mellem NCS333ASN2T1G (chopper-stabiliseret arkitektur) og NCS325SN2T1G (auto-nul-arkitektur) med hensyn til offset spænding og drift beskrevet ovenfor, producerer de forskellige arkitekturer forskelle i open-loop spændingsforøgelse, støjydelse og aliasing følsomhed. NCS333ASN2T1G har en open-loop spændingsforstærkning på 145 decibel (dB), mens NCS325SN2T1G har en 114 dB open-loop spændingsforstærkning. I betragtning af støj har NCS333ASN2T1G en CMRR på 111 dB og en PSRR på 130 dB, mens NCS325SN2T1G har en CMRR på 108 dB og en PSRR på 107 dB. Begge har meget gode ratings, men NCS333ASN2T1G overgår NCS325SN2T1G.

Op-forstærkere i NCS333ASN2T1G-serien har også minimal aliasing. Dette skyldes ON Semiconductors patenterede tilgang ved hjælp af to kaskadeformede, symmetriske RC-hakfiltre, der er indstillet til chopperfrekvensen og dens femte harmoniske for at reducere aliasing-effekter. I teorien udviser en auto-nul-arkitektur mere dramatisk aliasing end en chopper-stabiliseret type. Men aliasing-effekter kan variere meget og er ikke altid specificeret. Det er op til designeren at forstå aliasingegenskaberne for den specifikke op-amp, der bruges. Aliasing er ikke en defekt ved samplingsforstærkere, det er en adfærd. Kendskab til denne adfærd og hvordan man undgår den kan få nul-drift forstærkere til at fungere bedst.

Endelig har op-forstærkere varierende mængder EMI-følsomhed. Halvlederkryds kan samle op og rette EMI-signaler, hvilket skaber en EMI-induceret spændingsforskydning ved udgangen og tilføjer en anden komponent til den samlede fejl. Inputstifter er de mest følsomme over for EMI. NCS333ASN2T1G op-amp med høj præcision integrerer lavpasfiltre for at mindske følsomheden over for EMI.

Design og layout overvejelser

For at sikre optimal op-amp-ydeevne er det obligatorisk, at designere følger god pc-kort designpraksis. Op-forstærkere med høj præcision er følsomme enheder. For eksempel er det vigtigt at placere 0,1 mikrofarad (µF) afkoblingskondensatorer så tæt som muligt på forsyningstappene. Også, når der oprettes en shuntforbindelse, skal kredsløbssporene være af samme længde, lige dimension og så korte som muligt. Op-amp og shuntmodstanden skal være på samme side af kortet, og til applikationer, der kræver det højeste niveau af nøjagtighed, skal der anvendes fire-terminal shunts, også kaldet Kelvin shunts. Disse kombinerede teknikker reducerer EMI-modtagelighed.

Følg altid shuntfabrikantens anbefalinger om tilslutning til den. En forkert forbindelse vil tilføje uønsket afledt ledning og følelsesmodstand til målingen og øge fejlen (figur 6).

Figur 6: Forbindelse til en to-terminal shuntmodstand, der viser omstrejfende modstande (R_Lead og R_Sense). (Billedkilde: ON Semiconductor)

Nøjagtigheden kan påvirkes af temperaturafhængige forskydningsspændingsvariationer ved indgangsstifterne. For at minimere disse variationer skal designere bruge metaller med lave termoelektriske koefficienter og forhindre temperaturgradienter fra varmekilder eller køleventilatorer.

Konklusion

Behovet for præcis og nøjagtig signalbehandling vokser på tværs af en række industrielle applikationer. Ledsaget af denne vækst er behovet for kompakte løsninger med lav effekt. Op-forstærkere er kritiske komponenter i signalbehandling, men designere har haft brug for at tilføje automatisk kalibrering og andre mekanismer for at sikre stabilitet på tværs af tid og temperatur, hvilket tilføjer kompleksitet, omkostninger og yderligere strømforbrug.

Heldigvis kan designere henvende sig til højtydende nul-drift op-forstærkere med kontinuerlig automatisk kalibrering, meget lave forskydningsspændinger og næsten nul drift over tid og temperatur. Derudover har de lavt strømforbrug over et bredt dynamisk område, er kompakte og har høje CMRR'er, høje PSRR'er og høj open-loop-forstærkning, alle vigtige egenskaber til industrielle applikationer.

Anbefalet læsning

1. Anvendelse af avancerede sensorer og algoritmer til billig bevægelsessporing