Wzmacniacze operacyjne

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 (RLead oraz RSense). (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.

Artykuł opublikowano dzięki uprzejmości firmy © DigiKey

Autor: Jeff Shepard