L'attenta selezione dei componenti, della topologia e del layout porta a una precisione della catena di segnali a 7,5 cifre

Mentre molti requisiti di risoluzione possono essere soddisfatti con quattro o addirittura cinque cifre, applicazioni come i multimetri digitali (DMM) da laboratorio, la calibrazione di misuratori da campo, le bilance da laboratorio e la strumentazione sismica richiedono una maggiore precisione con una visualizzazione significativa di 7,5 cifre. Queste prestazioni sono necessarie per misurare con precisione piccole variazioni del segnale a bassa frequenza in presenza di grandi segnali c.c. e offset inevitabili.

L'ottenimento di questo livello di precisione richiede un impegno su più livelli e un'attenta cura dei fattori legati alla selezione dei componenti e all'implementazione fisica. I progettisti devono conoscere le molteplici fonti di potenziale errore, le implicazioni del comportamento a breve e lungo termine e la stabilità del circuito.

Questo articolo esamina brevemente i problemi di progettazione associati allo sviluppo di una lettura significativa e accurata di un segnale analogico con una precisione a 7,5 cifre. Presenta quindi i componenti idonei di Analog Devices che i progettisti possono utilizzare per ottenere queste prestazioni.

Selezione dei componenti per letture ad alta precisione

Un sistema ad alta precisione inizia dai suoi componenti attivi e passivi. Sebbene l'elevata integrazione possa semplificare la progettazione e il layout per fornire il livello di prestazioni garantito, i progettisti spesso possono ottenere prestazioni superiori utilizzando circuiti integrati ottimizzati a funzione singola con una disposizione e un layout fisico adeguati. I processi, la fabbricazione, i problemi e i gradienti termici, l'imballaggio e le sollecitazioni di questi componenti possono essere adattati in modo ottimale ai requisiti dell'applicazione.

Il cuore di un sistema ad alta precisione a 7,5 cifre (Figura 1) è costituito da un preamplificatore, resistori con adattamento del guadagno, un convertitore analogico/digitale (ADC) e un riferimento di tensione.

Figura 1: Al centro della catena di segnali di un sistema a 7,5 cifre si trovano un preamplificatore, resistori di regolazione del guadagno, un ADC e un riferimento di tensione. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, modificata da Bill Schweber)

Il segnale analogico a basso livello viene inviato a un preamplificatore a basso rumore, dove i resistori di precisione adattati impostano il guadagno. Può essere presente anche un filtro per le interferenze elettromagnetiche (EMI). Il segnale amplificato passa quindi attraverso un ADC ad alta risoluzione, che fornisce i valori digitalizzati utilizzando un riferimento di tensione di precisione. L'uscita convertita viene trasferita al processo di sistema tramite uno dei diversi formati di ingresso/uscita (I/O).

Il preamplificatore: i due parametri critici sono il rumore e la deriva, che influiscono sulla costanza e sulla precisione. Un preamplificatore adatto è ADA4523-1BCPZ-RL7 (Figura 2, a sinistra), un amplificatore operazionale a 8 conduttori, 36 V, a basso rumore e zero deriva. Offre prestazioni di precisione c.c. in un ampio intervallo di alimentazione compreso tra 4,5 V e 36 V. La tensione di offset e il rumore di 1/f sono soppressi, pertanto può raggiungere una tensione di offset massima di ±4 μV e una tensione di rumore di ingresso tipica di 88 nV picco-picco (p-p) a frequenze comprese tra 0,1 Hz e 10 Hz. Il dispositivo è disponibile in un contenitore a 8 conduttori a montaggio superficiale e la Figura 2, a destra, mostra la densità di rumore riferita alla tensione di ingresso da quasi c.c. a 10 MHz.

Figura 2: ADA4523-1BCPZ-RL7 (a sinistra) è alloggiato in un contenitore a montaggio superficiale a 8 conduttori; a destra è mostrata la densità di rumore riferita alla tensione di ingresso da quasi c.c. a 10 MHz. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Il circuito di autocalibrazione di ADA4523-1BCPZ-RL7 stabilizzato a chopper produce una bassa deriva della tensione di offset con la temperatura (0,01 μV/°C massimo) e una deriva zero nel tempo. Inoltre, ADA4523-1BCPZ-RL7 utilizza il filtraggio su chip per ottenere un'elevata immunità alle EMI.

Resistori di regolazione del guadagno: è spesso necessario un guadagno programmabile per adattare il circuito a diverse ampiezze e formati del segnale di ingresso. Per ottenere prestazioni di precisione, è più importante che la coppia di resistori di regolazione del guadagno sia adattata e segua fedelmente le variazioni di temperatura, anziché avere il valore assoluto corretto. Un dispositivo indipendente che incorpora queste coppie generalmente può fornire prestazioni migliori rispetto ai resistori integrati nel die dell'amplificatore.

Ad esempio, LT5401AHMSE#PBF (Figura 3, a sinistra) è una rete resistiva adattata ad altissima precisione, ottimizzata per l'uso con amplificatori completamente differenziali, con eccellenti specifiche di adattamento nell'intero intervallo di temperatura. Contiene due stringhe di resistori adattati, ciascuna con tre punti di derivazione. L'uso di una coppia di amplificatori operazionali ADA4523-1BCPZ-RL7 e di questi resistori di regolazione del guadagno adattati rende possibile la configurazione desiderata dell'amplificatore (Figura 3, a destra). I rapporti di adattamento che ne derivano sono ideali per impostare con precisione il guadagno o l'attenuazione di un amplificatore differenziale.

Figura 3: LT5401AHMSE#PBF (a sinistra) contiene tre coppie di resistori adattati; è fondamentale per uno stadio di guadagno programmabile ad alta precisione che comprende due amplificatori ADA4523-1BCPZ-RL7 (a destra). (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, modificato da Bill Schweber)

Tra i principali attributi di precisione e stabilità di LT5401AHMSE#PBF figurano:

• Adattamento del rapporto resistivo dello 0,003% (max)
• Rapporto di reiezione di modo comune (CMRR) di 96,5 dB (min)
• Errore di guadagno di ±25 ppm (max)
• Deriva termica di adattamento di ±0,5 ppm/°C (max)
• Deriva termica di valore resistore assoluta di 8 ppm/°C
• Stabilità a lungo termine <8 ppm a 6.500 ore

L'ADC: una volta amplificato e condizionato, il segnale è pronto per essere digitalizzato. Sebbene esistano molti ADC con architetture e caratteristiche diverse, l'approccio sigma-delta è particolarmente indicato per le applicazioni di precisione, dato che fornisce un equilibrio tra tempo di conversione e risoluzione.

Un esempio di ADC adatto è AD7177-2BRUZ-RL7 (Figura 4), un convertitore multiplato a basso rumore a 32 bit, 10 ksps con tempo di assestamento di 100 µs e buffer di ingresso rail-to-rail che facilita l'interfacciamento con l'uscita del preamplificatore. I molteplici canali di ingresso possono essere disposti come due canali completamente differenziali o quattro canali a terminazione singola tramite il multiplexer crosspoint.

Figura 4: L'ADC sigma-delta multicanale AD7177-2BRUZ-RL7 è caratterizzato da un'elevata risoluzione di conversione e dalla flessibilità di configurazione dei canali di ingresso. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Si noti che, pur trattandosi di un dispositivo altamente integrato, l'integrazione non pregiudica le prestazioni analogiche di precisione, in quanto la maggior parte di esse si trova sul lato digitale e I/O. I vari canali di ingresso sono utili perché molte applicazioni di alta precisione richiedono un confronto tra canali affiancati o utilizzano un canale per le letture di base in scenari di acquisizione di dati reali.

Questo convertitore fornisce anche un filtro di reiezione di 85 dB delle interferenze a 50 Hz e 60 Hz per mantenere l'integrità del segnale, con un tempo di assestamento di 50 ms. Include anche un riferimento a 2,5 V su chip (deriva di ±2 ppm/°C) e può utilizzare il clock interno per la temporizzazione della conversione o essere alimentato con un clock esterno. Sebbene il riferimento di tensione su chip sia più che adeguato per molte applicazioni, non è accettabile in quelle che richiedono una maggiore precisione. Pertanto, AD7177-2BRUZ-RL7 consente all'utente di fornire un riferimento esterno, se necessario.

Il riferimento di tensione: le prestazioni del riferimento di tensione sono l'aspetto determinante della catena di segnali. Un riferimento di tensione interno per l'ADC è vantaggioso nella maggior parte dei casi, in quanto riduce il numero di componenti, fa risparmiare spazio sulla scheda e garantisce un livello definito di prestazioni del convertitore.

Tuttavia, un riferimento su chip non è in grado di eguagliare le prestazioni di un dispositivo standalone dedicato, progettato, fabbricato, regolato e testato per fare una sola cosa e farla molto bene: fornire una tensione estremamente precisa, stabile e a basso rumore. Con poche eccezioni, la precisione, l'accuratezza e la stabilità di un sistema non possono superare quella del riferimento. Tuttavia, gli effetti dell'errore di secondo e terzo ordine, come le sollecitazioni del die e del contenitore dovute all'autoriscaldamento e ai gradienti termici, possono influire sulle prestazioni del riferimento.

Per questo motivo, Analog Devices offre i riferimenti di tensione di precisione ADR1399 con una struttura, un processo e un confezionamento ottimizzati per questa singola funzione. Per migliorare ulteriormente le loro prestazioni, i riferimenti di tensione di massima precisione includono un riscaldatore su scheda per mantenere costante la temperatura, poiché le variazioni termiche hanno un impatto significativo sulla stabilità.

I riferimenti ADR1399 sono CI di riferimento di tensione shunt Zener interrati di precisione con uscita fissa a 7,05 V, caratterizzati da un'eccellente stabilità termica in un'ampia gamma di condizioni di tensione, temperatura e corrente di quiescenza. Un circuito di stabilizzazione termica è incorporato con lo Zener attivo su un substrato monolitico, che elimina quasi del tutto le variazioni di tensione con la temperatura.

Il circuito Zener sul substrato è completamente specificato con una corrente di riposo di 3 mA e offre un rumore bassissimo di 1,44 μV p-p da 0,1 a 10 Hz e 1,84 µV_RMS da 10 Hz a 1 kHz. Presenta inoltre un coefficiente termico estremamente basso, pari a 0,2 ppm/℃, e un'eccellente stabilità a lungo termine, pari a 7 ppm/√kHr.

Il dispositivo è disponibile in due versioni. ADR1399KHZ (Figura 5, in alto a sinistra) è alloggiato in un semplice contenitore TO-46 a 4 pin, ermetico e inserito in un isolatore termico in plastica. L'isolante contribuisce a mantenere al minimo le fluttuazioni ambientali, riducendo la potenza del riscaldatore.

Invece, ADR1399KEZ (Figura 5, in basso a sinistra) è alloggiato in un portachip senza conduttori (LCC) non isolato, a 8 pin, a montaggio superficiale. Due dei quattro pin aggiuntivi non sono collegati internamente, mentre gli altri due dividono il riferimento attivo in azioni di forza e di senso con connessione Kelvin per una maggiore precisione. L'effetto del tipo di contenitore sulla tensione di riferimento in funzione della temperatura mostra la differenza trascurabile tra ADR1399KHZ in un contenitore TO-46 (Figura 5, in alto a destra) e ADR1399KEZ in un LCC (Figura 5, in basso a destra).

Figura 5: L'effetto del tipo di contenitore (a sinistra) sulla tensione di riferimento in funzione della temperatura mostra la differenza trascurabile tra ADR1399KHZ in un contenitore TO-46 (in alto a destra) e ADR1399KEZ in un LCC (in basso a destra). (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Topologia circuitale

Per ottenere la precisione, i progettisti devono anche utilizzare topologie e architetture che riducano o addirittura annullino le fonti di errore. Alcuni segnali possono richiedere configurazioni differenziali per bilanciare e annullare il rumore indotto. I resistori di adattamento e di inseguimento, come già detto, possono migliorare le prestazioni differenziali di un amplificatore, soprattutto in funzione della temperatura. Inoltre, il ponte di Wheatstone a quattro bracci viene spesso utilizzato per creare un sistema di misura raziometrico, in cui le derive indesiderate nei bracci del ponte si annullano a vicenda, lasciando solo il segnale di interesse.

Implementazione fisica

La struttura fisica di un progetto di precisione riveste un ruolo importante nelle prestazioni. Sono molti i fattori da considerare, tra cui la schermatura EMI e gli effetti della termocoppia. Qualsiasi connessione di metalli dissimili forma una giunzione termoelettrica, generando una piccola tensione dipendente dalla temperatura (effetto Seebeck). Ciò può essere la fonte di errore dominante nei circuiti a bassa deriva. I connettori, gli interruttori, i contatti dei relè, le prese, le resistori e le saldature sono tutti potenziali punti generanti una significativa forza elettromotrice (f.e.m.) termica.

Anche le giunzioni di fili in rame di produttori diversi possono generare f.e.m. termiche di 200 nV/°C, pari a oltre 10 volte la specifica di deriva massima di ADA4523-1BCPZ-RL7. La Figura 6 illustra l'entità potenziale delle tensioni f.e.m. e la loro sensibilità alla temperatura.

Figura 6: Le f.e.m. termiche generate dalla giunzione di due fili in rame di produttori diversi (a sinistra) e dalla saldatura in rame (a destra). (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Naturalmente, anche le messe a terra di circuiti multipli sono un aspetto importante. È essenziale che le masse analogiche e digitali siano separate e a bassa impedenza. I flussi di corrente devono essere mappati e indirizzati lontano dalle aree sensibili, con un solo punto di connessione tra i due regimi di massa. Valgono anche le solite considerazioni sull'uso di condensatori di fuga accuratamente posizionati tra i rail di alimentazione e le masse adiacenti ai carichi.

Calibrazione

Potrebbe sembrare che la calibrazione dell'unità finale sia il modo più diretto per risolvere i problemi di precisione e stabilità, ma di solito non è vero. La calibrazione a questo livello di accuratezza di risoluzione richiede uno standard estremamente costoso con un allestimento attento e un processo molto dispendioso in termini di tempo. L'unità dovrebbe inoltre essere ricalibrata periodicamente a un ciclo definito.

I risultati della calibrazione sono utilizzati in diversi modi per correggere o compensare l'errore di lettura. La calibrazione è più efficace per verificare le prestazioni di un progetto, non come tattica per raggiungere gli obiettivi desiderati.

Conclusione

Ottenere una precisione significativa e un'accuratezza a 7,5 cifre è una sfida non da poco nella progettazione analogica e a segnali misti. La soluzione progettuale deve combinare componenti, topologia circuitale, layout fisico giusti e la calibrazione appropriata. I componenti di alto livello, l'esperienza e il supporto applicativo di Analog Devices, abbinati a un'attenta cura dei particolari progettuali, consentono di superare questa sfida.