Come utilizzare gli amplificatori operazionali a deriva zero il controllo preciso, accurato e a bassa potenza di un sistema industriale

Più i sistemi industriali passano dal controllo meccanico a quello elettronico, più i produttori vedono miglioramenti sia nella qualità dei prodotti sia nella sicurezza dei lavoratori; quest'ultima dovuta principalmente al fatto che i lavoratori sono più protetti negli ambienti difficili. Tuttavia, sono proprio gli ambienti difficili, con temperature estreme, disturbi elettrici e interferenze elettromagnetiche (EMI), che rendono cruciale il buon condizionamento del segnale per mantenere la stabilità del circuito e la sensibilità richieste per un controllo affidabile e preciso della vita operativa dei macchinari industriali.

Un componente critico nella catena di condizionamento del segnale è l'amplificatore operazionale, un amplificatore differenziale c.c. ad alto guadagno usato per acquisire e amplificare i segnali richiesti. Gli amplificatori operazionali standard sono suscettibili alla deriva di temperatura e hanno una precisione e accuratezza limitate. Così, per soddisfare le esigenze industriali, i progettisti vi aggiungono la calibrazione automatica a livello di sistema. Il problema è che questa funzione di calibrazione può essere difficile da implementare e aumenta il consumo energetico, oltre che richiedere più spazio sulla scheda e aumentare i costi e i tempi di progettazione.

Questo articolo analizzerà i requisiti di condizionamento del segnale per le applicazioni industriali e le problematiche che devono affrontare i progettisti. Presenterà quindi soluzioni ad alte prestazioni a deriva zero di ON Semiconductor e mostrerà perché e come possono essere utilizzate per soddisfare i requisiti di condizionamento del segnale industriale. Saranno esaminate anche altre caratteristiche rilevanti di questi dispositivi, come gli elevati rapporti di reiezione di modo comune (CMRRR), gli elevati rapporti di reiezione dell'alimentazione (PSRR) e l'elevato guadagno ad anello aperto.

Applicazioni industriali di condizionamento del segnale

Nei sistemi industriali spesso sono utilizzate interfacce a sensore per il rilevamento della corrente low-side. A causa dei piccolissimi segnali differenziali associati a questi circuiti, i progettisti hanno bisogno di amplificatori operazionali ad alta precisione.

Il rilevamento di corrente low-side serve per rilevare le condizioni di sovracorrente ed è spesso usato nel controllo della retroazione (Figura 1). Un resistore di rilevamento a basso valore (100 mΩ) è posto in serie con il carico a terra. Il basso valore del resistore riduce le perdite di energia e la generazione di calore, ma comporta una caduta di tensione proporzionalmente piccola. Un amplificatore operazionale di precisione a deriva zero può essere usato per amplificare la caduta di tensione attraverso il resistore di rilevamento con un guadagno impostato da resistori esterni R1, R2, R3 e R4 (dove R1 = R2, R3 = R4). Per un'elevata precisione sono necessari resistori di precisione e il guadagno è impostato in modo da utilizzare il fondo scala del convertitore analogico/digitale (ADC) per la massima risoluzione.

Figura 1: Rilevamento di corrente low-side che mostra l'interfaccia dell'amplificatore operazionale tra il resistore di rilevamento e l'ADC. (Immagine per gentile concessione di ON Semiconductor)

I sensori usati per misurare la sollecitazione, la pressione e la temperatura nei sistemi industriali e di strumentazione sono spesso configurati con un ponte di Wheatstone (Figura 2). La variazione di tensione del sensore che fornisce la misura può essere minima e deve essere amplificata prima di entrare nell'ADC. Gli amplificatori operazionali di precisione a deriva zero sono spesso utilizzati in queste applicazioni per i loro elevati guadagni, il basso rumore e le basse tensioni di offset.

Figura 2: Gli amplificatori operazionali di precisione sono spesso usati con i ponti di Wheatstone per amplificare il segnale dei sensori per sollecitazione, pressione e temperatura prima di inviare tale segnale a un ADC. (Immagine per gentile concessione di ON Semiconductor)

Parametri chiave degli amplificatori operazionali di precisione

La tensione di offset, la deriva della tensione di offset, la suscettività al rumore e il guadagno di tensione ad anello aperto sono i parametri chiave che limitano le prestazioni dell'amplificatore operazionale nelle applicazioni di rilevamento della corrente e di interfaccia sensoriale (Tabella 1).

Tabella 1: Parametri chiave degli amplificatori operazionali di precisione che influenzano l'accuratezza e la precisione. (Immagine per gentile concessione di ON Semiconductor)

La tensione di offset in ingresso (indicata con V_OS o V_IO, a seconda del produttore) deriva da imperfezioni nel processo di produzione dei semiconduttori che causano una tensione differenziale tra V_IN+ e V_IN-. Si tratta di una variazione tra componenti che può causare la deriva termica e può essere positiva o negativa, rendendo difficile la calibrazione. Gli sforzi dei progettisti per ridurre l'offset o la deriva degli amplificatori operazionali standard non solo aggiungono complessità, ma in alcuni casi possono comportare un aumento del consumo energetico.

Ad esempio, si consideri il rilevamento della corrente usando un amplificatore operazionale in una configurazione con amplificatore differenziale (Figura 3).

Figura 3: Rilevamento della corrente con un amplificatore operazionale in una configurazione con amplificatore differenziale. Una bassa tensione di offset è critica, poiché la tensione di offset in ingresso viene amplificata dal guadagno del rumore, creando un errore di offset in uscita (indicato come "Errore dovuto a V_OS"). (Immagine per gentile concessione di ON Semiconductor)

La tensione di uscita è la somma del termine di guadagno del segnale (V_SENSE) e del termine di guadagno del rumore (V_OS), come mostrato nell'equazione 1:

Equazione 1

Come parametro interno dell'amplificatore operazionale, la tensione di offset in ingresso viene moltiplicata per il guadagno di rumore e non per il guadagno del segnale, con conseguente errore di offset in uscita ("Errore dovuto a V_OS" in Figura 2). Gli amplificatori operazionali di precisione usano varie tecniche per ridurre al minimo la tensione di offset. Negli amplificatori operazionali a deriva zero, ciò vale in particolare per i segnali a bassa frequenza e a corrente continua. La tensione di offset degli amplificatori operazionali di precisione a deriva zero può essere di oltre due ordini di grandezza inferiore rispetto agli amplificatori operazionali per uso generale (Tabella 2).

Tabella 2: In un confronto tra la massima tensione di offset degli amplificatori operazionali per uso generale selezionati e degli amplificatori operazionali a deriva zero stabilizzati a chopper, la tensione di offset di quelli a deriva zero può essere di oltre due ordini di grandezza inferiore. (Immagine per gentile concessione di ON Semiconductor)

Amplificatori operazionali a deriva zero

Grazie alle prestazioni migliorate, i progettisti possono soddisfare i requisiti di condizionamento del segnale delle applicazioni industriali utilizzando gli amplificatori operazionali a deriva zero. Due esempi di amplificatori operazionali a deriva zero che offrono diversi livelli di prestazioni sono prodotti di ON Semiconductor: NCS325SN2T1G e NCS333ASN2T1G. I progettisti possono utilizzare il dispositivo NCS325SN2T1G per applicazioni di precisione che possono beneficiare di un offset di 50 µV e di una deriva di 0,25 µV/°C, mentre la famiglia NCS333ASN2T1G è adatta per applicazioni di alta precisione più esigenti, con un offset di 10 µV e una deriva di soli 0,07 µV/°C. Questi due amplificatori operazionali raggiungono deriva zero grazie a diverse architetture interne.

NCS333ASN2T1G utilizza un'architettura stabilizzata a chopper, che offre il vantaggio di ridurre al minimo la deriva della tensione di offset nell'intervallo di temperatura e temporale (Figura 4). A differenza della classica architettura a chopper, l'architettura a chopper stabilizzato ha due percorsi di segnale.

Figura 4: NCS333ASN2T1G ha due percorsi di segnale: il secondo percorso (in basso) campiona la tensione di offset in ingresso, utilizzata per correggere l'offset in uscita. (Immagine per gentile concessione di ON Semiconductor)

Nella Figura 4, il percorso del segnale inferiore è dove il chopper campiona la tensione di offset in ingresso, che viene poi utilizzata per correggere l'offset in uscita. La correzione dell'offset avviene a una frequenza di 125 kHz. L'architettura stabilizzata a chopper è ottimizzata per le migliori prestazioni alle frequenze fino alla relativa frequenza di Nyquist (metà della frequenza di correzione dell'offset). Poiché la frequenza del segnale supera la frequenza di Nyquist (62,5 kHz) sull'uscita può verificarsi l'aliasing. Si tratta di una limitazione intrinseca di tutte le architetture a chopper e stabilizzate a chopper.

Tuttavia, l'amplificatore operazionale NCS333ASN2T1G ha un aliasing minimo fino a 125 kHz e un aliasing basso fino a 190 kHz. L'approccio brevettato di ON Semiconductor utilizza due filtri notch resistore-condensatore (RC) simmetrici in cascata, sintonizzati sulla frequenza del chopper e sulla sua quinta armonica per ridurre gli effetti di aliasing.

Architettura auto-zero

Un altro approccio degli amplificatori operazionali a deriva zero è l'architettura auto-zero (Figura 5). La progettazione auto-zero prevede un amplificatore principale e un amplificatore di nulling e anche un sistema con clock. Nella prima fase, i condensatori commutati mantengono l'errore di offset della fase precedente sull'uscita dell'amplificatore di nulling. Nella seconda fase, l'offset dell'uscita dell'amplificatore di nulling è utilizzato per correggere l'offset dell'amplificatore principale. NCS325SN2T1G di ON Semiconductor è realizzato sulla base dell'architettura auto-zero.

Figura 5: Schema a blocchi semplificato di un amplificatore operazionale auto-zero come NCS325SN2T1G che mostra i condensatori commutati. (Immagine per gentile concessione di ON Semiconductor)

Oltre alle differenze tra NCS333ASN2T1G (architettura a chopper stabilizzato) e NCS325SN2T1G (architettura auto-zero) in termini di tensione di offset e deriva come detto sopra, le diverse architetture producono differenze nel guadagno di tensione ad anello aperto, nelle prestazioni di rumore e nella suscettività aliasing. NCS333ASN2T1G ha un guadagno di tensione ad anello aperto di 145 dB, mentre NCS325SN2T1G ha un guadagno di tensione ad anello aperto di 114 dB. Per quanto riguarda il rumore, NCS333ASN2T1G ha un CMRRR di 111 dB e un PSRR di 130 dB, mentre NCS325SN2T1G ha un CMRR di 108 dB e un PSRR di 107 dB. Entrambi hanno ottime classificazioni, ma NCS333ASN2T1G supera NCS325SN2T1G.

Gli amplificatori operazionali serie NCS333ASN2T1G hanno anche un aliasing minimo. Ciò è dovuto all'approccio brevettato da ON Semiconductor che utilizza due filtri notch RC simmetrici in cascata, sintonizzati sulla frequenza del chopper e sulla sua quinta armonica per ridurre gli effetti di aliasing. In teoria, un'architettura auto-zero esibirà un aliasing più sensibile del tipo stabilizzato a chopper. Ma gli effetti di aliasing possono variare molto e non sempre sono specificati. Spetta al progettista comprendere le caratteristiche di aliasing dello specifico amplificatore operazionale utilizzato. L'aliasing non è un difetto degli amplificatori di campionamento, bensì un loro comportamento. La conoscenza di questo comportamento e di come evitarlo può assicurare il massimo funzionamento degli amplificatori a deriva zero.

Infine, gli amplificatori operazionali hanno una diversa suscettività EMI. Le giunzioni a semiconduttore possono rilevare e raddrizzare i segnali EMI, creando un offset di tensione indotta da EMI in uscita, quindi aggiungendo un'ulteriore componente all'errore totale. I pin di ingresso sono i più sensibili alle EMI. L'amplificatore operazionale ad alta precisione NCS333ASN2T1G integra filtri passa-basso per diminuire la sensibilità alle EMI.

Considerazioni di progettazione e layout

Per garantire prestazioni ottimali agli amplificatori operazionali, i progettisti devono attenersi alle best practice di progettazione delle schede CS. Gli amplificatori operazionali ad alta precisione sono dispositivi sensibili. Ad esempio, è importante posizionare i condensatori di disaccoppiamento a 0,1 µF il più vicino possibile ai pin di alimentazione. Inoltre, quando si effettua un collegamento in derivazione, le tracce del circuito stampato devono essere di pari lunghezza e dimensione e il più corto possibile. L'amplificatore operazionale e il resistore di shunt devono essere sullo stesso lato della scheda, e per le applicazioni che richiedono il massimo livello di precisione, si devono anche utilizzare shunt a quattro terminali, chiamati anche shunt Kelvin. Queste tecniche combinate ridurranno la suscettività EMI.

Seguire sempre le raccomandazioni del produttore dello shunt per il collegamento. Un collegamento non corretto aggiungerà alla misurazione un disturbo parassita indesiderato e una resistenza di rilevamento, aumentando l'errore (Figura 6).

Figura 6: Collegamento a un resistore di shunt a due terminali che rappresenta resistenze parassite (R_Lead e R_Sense). (Immagine per gentile concessione di ON Semiconductor)

La precisione può essere influenzata dalle variazioni di tensione di offset in funzione della temperatura in corrispondenza dei pin di ingresso. Per ridurre al minimo queste variazioni, i progettisti devono utilizzare metalli a bassi coefficienti termoelettrici ed evitare gradienti di temperatura da sorgenti di calore o ventole di raffreddamento.

Conclusione

La necessità di un condizionamento del segnale preciso e accurato sta aumentando per molte applicazioni industriali. Ad accompagnare questa crescita vi è la necessità di soluzioni compatte e a bassa potenza. Gli amplificatori operazionali sono componenti critici nel condizionamento del segnale, ma i progettisti hanno dovuto aggiungere l'autocalibrazione e altri meccanismi per garantire la stabilità nel tempo e nella temperatura, aumentando la complessità, i costi e i consumi.

Fortunatamente, i progettisti possono ricorrere agli amplificatori operazionali ad alte prestazioni a deriva zero con autocalibrazione continua, tensioni di offset molto basse e deriva prossima allo zero nell'intervallo di temperatura e temporale. Inoltre, hanno un basso consumo energetico su un'ampia gamma dinamica, sono compatti e caratterizzati da elevati valori di CMRRR e PSRR elevati e da un alto guadagno ad anello aperto, tutte caratteristiche chiave per le applicazioni industriali.

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