Slik bruker du operasjonsforsterkere (op-amp) med nullpunktsdrift for å oppnå nøyaktig industriell systemstyringer med lavt energiforbruk

Etter hvert som industrielle systemer i økende grad går fra mekanisk styring til elektronisk styring, ser produsentene gevinster i både produktkvalitet og arbeidstakersikkerhet, sistnevnte skyldes hovedsakelig at arbeidstakerne er mer beskyttet mot tøffe miljøer. Det er imidlertid de harde miljøene, med ekstreme temperaturer samt elektrisk støy og elektromagnetisk interferens (EMI), som gjør god signalbehandling så viktig for å opprettholde både kretsstabiliteten og følsomheten som kreves for pålitelig, nøyaktig og nøyaktig styring over industrielle maskiners driftslevetid.

En kritisk komponent i signalbehandlingskjeden er operasjonsforsterkeren (op-ampen), en DC-differensialforsterker med høy forsterkning som brukes til å innhente og forsterke nødvendige signaler. Standard operasjonsforsterkere (op-amper) er mottakelige for temperaturdrift og har begrenset presisjon og nøyaktighet; så, for å oppfylle industrielle krav, legger designere til en form for automatisk kalibrering på systemnivå. Problemet er at denne kalibreringsfunksjonen kan være kompleks å implementere og øke strømforbruket. Den krever også mer plass på kretskort og øker kostnadene og designtiden.

Denne artikkelen vil gjennomgå kravene til signalbehandling i industrielle utrustninger og hva designere trenger må være oppmerksomme på. Deretter introduseres løsninger med operasjonsforsterker med nullpunktsdrift fra ON Semiconductor og viser hvorfor og hvordan de kan brukes til å oppfylle kravene til industriell signalprosessering. Andre relevante egenskaper ved disse enhetene, for eksempel høye CMRR (common mode rejection ratios - avvisningsforhold i fellesmodus / common-mode), høye PSRR (power supply rejection ratios – avvisningsforhold i strømforsyningen) og høy forsterkning uten tilbakekopling blir også undersøkt.

Industrielle utrustninger for signalbehandling

Grensesnitt for strømdeteksjon på lavsiden og sensorer brukes ofte i industrielle systemer. På grunn av de svært små differensialsignalene som er forbundet med disse kretsene, trenger designere operasjonsforsterkere med høy nøyaktighet.

Strømsføling på lavsiden brukes til å detektere overstrømsforhold og brukes ofte i tilbakekoblingsstyring (figur 1). En lavverdi sensormotstand (<100 mΩ) er plassert i serie med lasten til jord. Den lave verdien av motstanden reduserer strømtap og varmeproduksjon, men resulterer i et tilsvarende lite spenningsfall. En operasjonsforsterker med nullpunktsdrift kan brukes til å forsterke spenningsfallet over følemotstanden med en forsterkning satt av eksterne motstander R1, R2, R3 og R4 (der R1 = R2, R3 = R4). Presisjonsmotstander er nødvendig for høy nøyaktighet, samt at forsterkningen er satt til å utnytte hele skalaen til analog-til-digital-omformeren (ADC) for høyeste oppløsning.

Figur 1: Strømføling på lavsiden som viser grensesnittet for operasjonsforsterkeren (op-ampen) mellom sensormotstanden og ADC-en. (Bildekilde: ON Semiconductor)

Sensorer som brukes til å måle belastning, trykk og temperatur i industrielle systemer og instrumenteringssystemer, er ofte konfigurert i en wheatstonebro-konfigurasjon (figur 2). Sensorspenningsendringen som gir målingen kan være ganske liten og må forsterkes før du går inn i ADC. Presisjon-operasjonsforsterkere med nullpunktsdrift brukes ofte i disse utrustningene på grunn av deres høye forsterkning, lave støy og lave forskyvningsspenninger.

Figur 2: Presisjon-operasjonsforsterkere (op-amper) brukes ofte med wheatstonebroer for å forsterke signalet fra sensorer for belastning, trykk og temperatur før signalet sendes til en ADC. (Bildekilde: ON Semiconductor)

Nøkkelparametere for presisjon-operasjonsforsterkere

Forskyvningsspenning, forskyvningsspenningsavdrift, følsomhet for støy og spenningsforsterkning uten tilbakekopling er de viktigste parametrene som begrenser operasjonsforsterkerens (op-ampens) ytelse i utrustninger for strømdeteksjon og sensorgrensesnitt (tabell 1).

Tabell 1: Nøkkelparametere for presisjon-operasjonsforsterkere som påvirker nøyaktighet og presisjon. (Bildekilde: ON Semiconductor)

Inngangsforskyvningsspenning (betegnet med V_OS eller V_IO, avhengig av produsenten) stammer fra ufullkommenheter i halvlederproduksjonsprosessen som forårsaker en differensialspenning mellom V_IN+ og V_IN-. Det er en del-til-del-variasjon som kan drive over temperatur og kan være positiv eller negativ, noe som gjør det vanskelig å kalibrere ut. Designernes innsats for å redusere forskyvningen eller avdriften i standard operasjonsforsterkere (op-amper) legger ikke bare til kompleksitet, men kan i noen tilfeller føre til økt strømforbruk.

Vurder for eksempel strømdeteksjon ved hjelp av en op-forsterker i en differanseforsterkerkonfigurasjon (figur 3).

Figur 3: Strømdeteksjon med en operasjonsforsterker (op-amp) i en konfigurasjon med differensialforsterker. Lav forskyvningsspenning er kritisk siden inngangsforskyvningsspenningen forsterkes av støyforsterkningen, noe som skaper en forskyvningsfeil ved utgangen (notert som «Feil på grunn av V_OS»). (Bildekilde: ON Semiconductor)

Utgangsspenningen er summen av signalforsterkningsterminen (_V-SENSE) og støyforsterkningstermen (V_OS), som vist i ligning 1:

 Ligning 1

Som en intern operasjonsforsterker-parameter multipliseres inngangsforskyvningsspenningen med støyforsterkningen og ikke signalforsterkningen, noe som resulterer i en utgangsforskyvningsfeil («Feil på grunn av V_OS» på figur 2). Presisjon-operasjonsforsterkere minimerer forskyvningsspenningen så mye som mulig ved hjelp av forskjellige teknikker. I operasjonsforsterkere med nulldrift gjelder dette særlig lavfrekvens- og likestrømssignaler. Forskyvningsspenningen for presisjon operasjonsforsterker med nullpunktsdrift kan være over to størrelsesordener lavere sammenlignet med generelle operasjonsforsterkere (op-amper) (tabell 2).

Tabell 2: I en sammenligning av den maksimale forskyvningsspenningen for valgte generelle operasjonsforsterkere og pulsstabiliserte nulldrivforsterkere, kan forskyvningsspenningen for operasjonsforsterker med nullpunktsdrift være over to størrelsesordener lavere. (Bildekilde: ON Semiconductor)

Operasjonsforsterkere med nullpunktsdrift

Med sin forbedrede ytelse kan designere oppfylle kravene til signalbehandling i industrielle utrustninger ved hjelp av operasjonsforsterker med nullpunktsdrift. To eksempler på null-drift op-forsterkere som tilbyr forskjellige ytelsesnivåer er ON Semiconductors sine NCS325SN2T1G og NCS333ASN2T1G. Designere kan bruke NCS325SN2T1G-enheten til presisjonsutrustninger som kan dra nytte av en forskyvning på 50 mikrovolt (µV) og en forskyvning på 0,25 µV/°C, mens NCS333ASN2T1G-familien er egnet for de mest krevende utrustningene med høy presisjon, og leverer en forskyvning på 10 µV og en forskyvning på bare 0,07 µV/°C. Disse to operasjonsforsterkerne (op-ampene) oppnår null drift ved hjelp av forskjellige innebygde arkitekturer.

NCS333ASN2T1G bruker en pulsstabilisert arkitektur, noe som gir fordelen med å minimere forskyvningsspenning over temperatur og tid (figur 4). I motsetning til den klassiske puls-arkitekturen har den pulsstabiliserte arkitekturen to signalbaner.

Figur 4: NCS333ASN2T1G har to signalbaner: den andre banen (nederst) sampler inngangsforskyvningsspenningen, som brukes til å korrigere forskyvningen ved utgangen. (Bildekilde: ON Semiconductor)

I figur 4 er den nedre signalbanen der pulsforsterkeren tar prøver av inngangsforskyvningsspenningen, som deretter brukes til å korrigere forskyvningen ved utgangen. Forskyvningskorreksjonen skjer ved en frekvens på 125 kilohertz (kHz). Den pulsstabiliserte arkitekturen er optimalisert for best ytelse ved frekvenser opp til den relaterte Nyquist-frekvensen (1/2 av forskyvningskorreksjonsfrekvensen). Ettersom signalfrekvensen overstiger Nyquist-frekvensen, 62,5 kHz, kan aliasing (alias-effekt) forekomme ved utgangen. Dette er en iboende begrensning av alle pulsforsterkere og pulsstabiliserte arkitekturer.

Likevel har operasjonsforsterkeren NCS333ASN2T1G minimal aliasing opp til 125 kHz og lav aliasing opp til 190 kHz. ON Semiconductors patenterte tilnærming bruker to kaskadeformede, symmetriske, kjervfiltre med resistorkapasitorer (RC) som er innstilte på puls-frekvensen og dens femte harmoniske for å redusere aliaseffekter.

Arkitektur med automatisk nullstilling (auto-zero architecture)

En annen tilnærming til operasjonsforsterker med nullpunktsdrift er arkitekturen med automatisk nullstilling (figur 5). Designet med automatisk nullstilling har en hovedforsterker og en nullforsterker. Den bruker også et taktsystem. I den første fasen holder de vekslede kondensatorene forskyvningsfeilen fra den forrige fasen på nullforsterkerens utgang. I den andre fasen brukes forskyvningen fra nullforsterkerens utgang til å korrigere forskyvningen av hovedforsterkeren. NCS325SN2T1G fra ON Semiconductor er bygget ved hjelp av arkitektur med automatisk nullstilling

Figur 5: Forenklet blokkdiagram av en operasjonsforsterker med automatisk nullstilling som NCS325SN2T1G, som viser de vekslede kondensatorene. (Bildekilde: ON Semiconductor)

I tillegg til forskjellene mellom NCS333ASN2T1G (pulsstabilisert arkitektur) og NCS325SN2T1G (arkitektur med automatisk nullstilling) med hensyn til forskyvningsspenning og drift beskrevet ovenfor, produserer de forskjellige arkitekturene forskjeller i spenningsforsterkning uten tilbakekopling, støyytelse og mottakelighet for aliasing. NCS333ASN2T1G har en åpen sløyfespenningsforsterkning på 145 desibel (dB), mens NCS325SN2T1G har en 114 dB forsterkning uten tilbakekopling. Med tanke på støy 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 svært gode klassifiseringer, men NCS333ASN2T1G overgår NCS325SN2T1G.

Operasjonsforsterkerne i NCS333ASN2T1G-serien har også minimal aliasing. Dette er på grunn av at ON Semiconductors patenterte tilnærming ved bruk av kaskadedeformede, symmetriske RC-kjervfilter innstilt på pulsforsterkerfrekvensen og dens femte oversvingning, for å redusere aliaseffekter. I teorien vil en arkitektur med automatisk nullstilling vise mer dramatisk aliasing enn en pulsstabilisert type. Men aliaseffekter kan variere mye og er ikke alltid spesifisert. Det er opp til designeren å forstå aliasegenskapene til den spesifikke operasjonsforsterker (op-ampen) som benyttes. Aliasing er ikke en feil ved samplingsforsterkere, det er en atferd. Kunnskap om denne atferden og hvordan du kan unngå den kan få forsterkere med nullpunktsdrift til å fungere på sitt beste.

Til slutt har operasjonsforsterkere (op-amper) varierende grad av EMI-følsomhet. Halvlederoverganger kan plukke opp og korrigere EMI-signaler, noe som skaper en EMI-indusert spenningsforskyvning ved utgangen, og legger ytterligere til en komponent til den totale feilen. Inngangspinner er de mest følsomme for EMI. Den høypresise operasjonsforsterkeren NCS333ASN2T1G har innebyggede lavpassfiltre for å redusere følsomheten for EMI.

Hensyn til utforming og utforming

For å sikre optimal operasjonsforsterkningsytelse, er det obligatorisk at designere følger god praksis for design av kretskort. Presisjon-operasjonsforsterkere er følsomme enheter. For eksempel er det viktig å plassere 0,1 microfarad (µF) avkoblingskondensatorer så nær forsyningspinnene som mulig. Når du oppretter en shunttilkobling, bør kretskortsporene være like lange, like store og så korte som mulig. Operasjonsforsterkeren (op-ampen) og shuntmotstanden bør være på samme side av kortet, og for utrustninger som krever høyest nøyaktighetsnivå, bør shunter med fire terminaler, også kalt Kelvin-shunter, brukes. Disse kombinerte teknikkene vil redusere EMI-følsomheten.

Følg alltid shuntprodusentens anbefalinger for tilkobling til shunten. En feil tilkobling vil legge til uønsket omstreifende ledning og følemotstand til målingen og øke feilen (figur 6).

Figur 6: Tilkobling til en to-terminals shuntmotstand som viser spredemotstand (R_Lead og R_Sense). (Bildekilde: ON Semiconductor)

Nøyaktigheten kan påvirkes av temperaturavhengige forskyvningsspenningsvariasjoner ved inngangspinnene. For å minimere disse variasjonene bør konstruktørene bruke metaller med lave termoelektriske koeffisienter, og forhindre temperaturgradienter fra varmekilder eller kjølevifter.

Konklusjon

Behovet for nøyaktig signalbehandling vokser på tvers av en rekke industrielle bruksområder. Ledsaget av denne veksten er behovet for kompakte løsninger med lav effekt. Operasjonsforsterkere (op-amper) er kritiske komponenter i signalbehandling, men designere har måtte lagt til automatisk kalibrering og andre mekanismer for å sikre stabilitet over tid og temperatur, noe som tilfører kompleksitet, kostnader og ekstra strømforbruk.

Heldigvis kan designere bruke operasjonsforsterkere med nullpunktsdrift med kontinuerlig automatisk kalibrering, svært lave forskyvningsspenninger og nær nullpunktsdrift over tid og temperatur. I tillegg har de lavt strømforbruk over et bredt dynamisk område, er kompakte og har høye CMRR, høye PSRR og høy forsterkning uten tilbakekopling – som alle viktige egenskaper for industrielle utrustninger.

Anbefalt lesing:

1. Bruk av avanserte sensorer og algoritmer for bevegelsessporing med lav kostnad