Wzmacniacze operacyjne

W systemach przemysłowych coraz częściej odchodzi się od sterowania mechanicznego na rzecz układów elektronicznych, a producenci dostrzegają ich pozytywny wpływ zarówno na jakość produktów, jak i na bezpieczeństwo pracowników. To ostatnie wynika głównie z lepszej ochrony pracowników przed trudnymi warunkami środowiskowymi. Jednak to właśnie trudne warunki środowiskowe, gdzie występują ekstremalne temperatury, szumy elektryczne i zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) sprawiają, że dobre kondycjonowanie sygnału ma znaczenie krytyczne dla utrzymania stabilności obwodów i czułości niezbędnej dla uzyskania niezawodnego, precyzyjnego i dokładnego sterowania w całym okresie eksploatacji maszyn przemysłowych.

Komponentem o znaczeniu krytycznym w łańcuchu kondycjonowania sygnału jest wzmacniacz operacyjny, czyli wzmacniacz różnicowy prądu stałego o wysokim wzmocnieniu, służący do akwizycji i wzmacniania wymaganych sygnałów. Standardowe wzmacniacze operacyjne są wrażliwe na dryft temperaturowy oraz posiadają ograniczoną precyzję i dokładność. Dlatego w celu sprostania wymogom przemysłowym, projektanci dodają w nich kalibrację automatyczną na poziomie systemowym. Problem polega na tym, że te funkcje kalibracji mogą być skomplikowane do wdrożenia i zwiększać zużycie energii. Wymagają one również miejsca na płytce, zwiększają koszty i wydłużają czas projektowania.

Artykuł omawia wymagania dotyczące kondycjonowania sygnału w zastosowaniach przemysłowych oraz zagadnienia, na które projektanci powinni zwrócić uwagę. Następnie zostaną przedstawione rozwiązania wzmacniaczy operacyjnych o wysokich parametrach i zerowym dryfcie firmy ON Semiconductor oraz powody i sposoby ich wykorzystania w celu sprostania wymogom przemysłowego kondycjonowania sygnału. Omówione zostaną również inne istotne cechy tych urządzeń, takie jak wysokie współczynniki tłumienia sygnału współbieżnego (CMRR), wysokie współczynniki tłumienia wpływu zasilania (PSRR), oraz wysokie wzmocnienie w otwartej pętli.

Przemysłowe zastosowania kondycjonowania sygnałów

W systemach przemysłowych często wykorzystuje się pomiar prądu po stronie niskiej oraz interfejsy czujników. Ze względu na bardzo małe sygnały różnicowe występujące w tych obwodach, projektanci potrzebują wzmacniaczy operacyjnych o wysokiej dokładności.

Pomiar prądu po stronie niskiej stosowany jest w wykrywaniu nadmiernych prądów i często wykorzystywany jest w sterowaniu ze sprzężeniem zwrotnym (ilustracja 1). Rezystor pomiarowy o niskiej rezystancji (<100mΩ) jest umieszczony w układzie szeregowo z obciążeniem połączonym z masą. Niska wartość rezystora zmniejsza straty mocy i wytwarzane ciepło jednak skutkuje względnie małym spadkiem napięcia. Do wzmacniania spadku napięcia na rezystorze pomiarowym można wykorzystać precyzyjny wzmacniacz operacyjny o zerowym dryfcie, którego wzmocnienie ustawiane jest za pomocą rezystorów zewnętrznych R1, R2, R3 oraz R4 (przy czym R1 = R2, R3 = R4). Uzyskanie wysokiej dokładności wymaga użycia rezystorów precyzyjnych, a wzmocnienie jest ustawione tak, aby wykorzystywać pełną skalę przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC) dla uzyskania maksymalnej rozdzielczości.

Ilustracja 1: Pomiar prądu po stronie niskiej z interfejsem w postaci wzmacniacza operacyjnego pomiędzy rezystorem pomiarowym i przetwornikiem analogowo cyfrowym (ADC). (Źródło ilustracji: © ON Semiconductor)

Czujniki wykorzystywane do pomiaru odkształcenia, ciśnienia i temperatury w systemach przyrządów przemysłowych często pracują w układzie mostka Wheatstone’a (ilustracja 2). Zmiana napięcia czujnika, która stanowi pomiar może być dość mała i musi zostać wzmocniona zanim trafi do przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC). W tego typu zastosowaniach często stosowane są precyzyjne wzmacniacze operacyjne o zerowym dryfcie, ze względu na wysokie wzmocnienia, niskie szumy i niskie napięcia niezrównoważenia.

Ilustracja 2: Precyzyjne wzmacniacze operacyjne są często stosowane wraz z mostkami Wheatstone’a w celu wzmocnienia sygnałów z czujników odkształcenia, ciśnienia i temperatury, zanim trafią one do przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC). (Źródło ilustracji: © ON Semiconductor)

Kluczowe parametry precyzyjnych wzmacniaczy operacyjnych

Kluczowymi parametrami, które ograniczają działanie wzmacniaczy operacyjnych w pomiarach prądu oraz interfejsach czujników są: napięcie niezrównoważenia, dryft napięcia niezrównoważenia, wrażliwość na szumy oraz wzmocnienie napięciowe w otwartej pętli (tabela 1).

Tabela 1: Kluczowe parametry precyzyjnych wzmacniaczy operacyjnych wpływające na dokładność i precyzję. (Źródło ilustracji: © ON Semiconductor)

Wejściowe napięcie niezrównoważenia (oznaczane jako VOS lub VIO, zależnie od producenta) wynika z niedoskonałości procesów produkcyjnych półprzewodników, które powodują różnicę napięć pomiędzy VIN+ i VIN-. Zmienność ta występuje pomiędzy poszczególnymi egzemplarzami i może mieć wartość dodatnią lub ujemną, a także ulegać zmianie z temperaturą, przez co trudno poddaje się kalibracji. Wysiłki projektantów zmierzające do zmniejszenia niezrównoważenia i dryftu w standardowych wzmacniaczach operacyjnych nie tylko podnoszą poziom skomplikowania układów, ale również mogą zwiększać zużycie energii.

Rozważmy przykładowo pomiar prądu z wykorzystaniem wzmacniacza operacyjnego w konfiguracji różnicowej (ilustracja 3).

Ilustracja 3: Pomiar prądu ze wzmacniaczem operacyjnym w konfiguracji różnicowej. Niskie napięcie niezrównoważenia ma znaczenie krytyczne ponieważ napięcie niezrównoważenia jest wzmacniane wraz z szumami tworząc błąd niezrównoważenia na wyjściu (oznaczony jako „Error due to VOS”). (Źródło ilustracji: © ON Semiconductor)

Napięcie wyjściowe jest sumą składowej wzmocnienia sygnału (VSENSE) oraz składowej wzmocnienia szumów (VOS), zgodnie z równaniem 1:

Równanie 1

Będące parametrem wewnętrznym wejściowe napięcie niezrównoważenia jest przemnażane przez wzmocnienie szumów a nie wzmocnienie sygnału, co skutkuje błędem niezrównoważenia na wyjściu (oznaczonym jako „Error due to VOS” na ilustracji 2). Napięcie niezrównoważenia jest minimalizowane w precyzyjnych wzmacniaczach operacyjnych w maksymalnym możliwym zakresie z użyciem różnych technik. We wzmacniaczach operacyjnych o zerowym dryfcie dotyczy to szczególnie sygnałów niskiej częstotliwości i prądu stałego. Napięcie niezrównoważenia wzmacniaczy operacyjnych o zerowym dryfcie może być o ponad dwa rzędy wielkości niższe w porównaniu ze wzmacniaczami operacyjnymi ogólnego przeznaczenia (tabela 2).

Tabela 2: Porównując wybrane wzmacniacze operacyjne ogólnego przeznaczenia i wzmacniacze operacyjne o zerowym dryfcie ze stabilizacją czoperową, maksymalne napięcie niezrównoważenia może być o ponad dwa rzędy wielkości niższe. (Źródło ilustracji: © ON Semiconductor)

Wzmacniacze operacyjne o zerowym dryfcie

Dzięki doskonalszym parametrom wzmacniaczy operacyjnych o zerowym dryfcie, projektanci mogą sprostać wymaganiom dotyczącym kondycjonowania sygnału w zastosowaniach przemysłowych. Przykładami wzmacniaczy operacyjnych o zerowym dryfcie, które oferują różne poziomy parametrów mogą być układy NCS325SN2T1G oraz NCS333ASN2T1G firmy ON Semiconductor. Do zastosowań precyzyjnych projektanci mogą wykorzystywać układ NCS325SN2T1G charakteryzujący się niezrównoważeniem 50µV i dryftem 0,25µV/°C, natomiast grupa NCS333ASN2T1G przeznaczona jest do najbardziej wymagających zastosowań wysokiej precyzji, oferując niezrównoważenie 10µV i dryft zaledwie 0,07µV/°C. Te dwa wzmacniacze operacyjne osiągają zerowy dryft z użyciem różnych architektur wewnętrznych.

Układ NCS333ASN2T1G wykorzystuje stabilizowaną architekturę czoperową, która daje korzyści w postaci minimalizacji dryftu napięcia niezrównoważenia z upływem czasu i zmianami temperatury (ilustracja 4). W przeciwieństwie do klasycznej architektury czoperowej, w stabilizowanej architekturze czoperowej występują dwie ścieżki sygnałowe.

Ilustracja 4: Układ NCS333ASN2T1G posiada dwie ścieżki sygnałowe: druga ścieżka (u dołu) próbkuje wejściowe napięcie niezrównoważenia w celu skorygowania niezrównoważenia na wyjściu. (Źródło ilustracji: © ON Semiconductor)

Na ilustracji 4 czoper próbkuje wejściowe napięcie niezrównoważenia w dolnej ścieżce sygnałowej w celu skorygowania niezrównoważenia na wyjściu. Korekcja niezrównoważenia realizowana jest z częstotliwością 125kHz. Stabilizowana architektura czoperowa jest zoptymalizowana pod kątem pracy przy częstotliwościach nieprzekraczających odpowiedniej częstotliwości Nyquista (1/2 częstotliwości korekcji niezrównoważenia). Gdy częstotliwość sygnału przekracza częstotliwość Nyquista równą 62,5kHz, na wyjściu może pojawić się aliasing. Jest to charakterystyczne ograniczenie wszystkich architektur czoperowych, również stabilizowanych.

Mimo to, we wzmacniaczu operacyjnym NCS333ASN2T1G aliasing występuje w minimalnym zakresie do częstotliwości 125kHz i jest niewielki aż do 190kHz. Opatentowane przez firmę ON Semiconductor podejście do redukcji zjawiska aliasingu wykorzystuje dwa połączone kaskadowo symetryczne filtry środkowozaporowe RC (rezystor-kondensator) dostrojone do częstotliwości czoperowej oraz jej piątej harmonicznej.