Zero-drift műveleti erősítők használata ipari rendszerek precíz, pontos és kisfogyasztású vezérléséhez

Ahogyan az ipari rendszerek fokozatosan áttérnek a mechanikusról az elektronikus vezérlésre, a gyártók számára a termékek minőségében, és a munkavállalók biztonsága tekintetében is javulás tapasztalható. Ez utóbbi elsősorban annak köszönhető, hogy a dolgozók jobban védettek a zord környezetekkel szemben. Azonban pontosan ezek a szélsőséges hőmérsékletű, elektromos zajjal és elektromágneses interferenciával (EMI) szennyezett zord környezetek teszik olyan fontossá a megfelelő jelkondicionálást, hogy biztosítva legyen az az áramköri stabilitás és érzékenység, ami az ipari gépek megbízható, precíz és pontos működéséhez kell azok teljes üzemi élettartamán keresztül.

A jelkondicionálási lánc egyik kritikus eleme a műveleti erősítő (operational amplifier, „opamp”), amely egy nagy erősítésű egyenáramú differenciálerősítő, amelyet a szükséges jelek vételezésére és azok felerősítésére használnak. A standard műveleti erősítők érzékenyek a hőmérséklet változására, és precizitásuk és pontosságuk korlátozott. Ezért az ipari követelményeknek való megfelelés érdekében a tervezők valamilyen formában rendszerszintű automatikus kalibrálást alkalmaznak. A gond az, hogy ennek a kalibrálási funkciónak a megvalósítása bonyolult lehet, valamint többlet energiafogyasztással jár. Emellett több helyre is szükség van az áramköri lapon, a költségek és a tervezési idő növekedésével együtt.

Ez a cikk áttekinti az ipari rendszerekre vonatkozó jelkondicionálási követelményeket, valamint azokat a szempontokat, amelyekre a tervezőknek figyelniük kell. Ezután ON Semiconductor gyártmányú nagyteljesítményű zero-drift műveleti erősítők segítségével példákat mutat be azok alkalmazására, továbbá leírja miért és hogyan használhatók fel az ipari jelkondicionálási követelmények kielégítésére. Megvizsgálja továbbá ezen eszközök egyéb releváns jellemzőit, például a nagy közös módusú feszültségelnyomást (Common Mode Rejection Ratio, CMRR), a nagy tápfeszültség elnyomást (Power Supply Rejection Ratio, PSRR) és a nagy hurokerősítést is.

Ipari jelkondicionálási alkalmazások

Alsó oldali áramérzékelést és szenzorinterfészeket gyakran alkalmaznak az ipari rendszerekben. Az ezekre az áramkörökre jellemző nagyon kicsi differenciális jelek miatt a tervezőknek nagy pontosságú műveleti erősítőkre van szükségük.

Az alsó oldali áramérzékelést a túláram észlelésére használják, és gyakran használják visszacsatolásos szabályozásban (1. ábra). Az áramerősség érzékelése céljából egy kis értékű ellenállást (<100 mΩ) helyeznek el sorban a terhelés és a föld között. Az ellenállás alacsony értéke miatt az energiaveszteség és a hőtermelés csökkentett, de ennek megfelelően a feszültségesés is alacsony lesz. Egy precíziós zero-drift műveleti erősítővel az érzékelőellenálláson eső feszültség az R1, R2, R3 és R4 külső ellenállások által beállított erősítéssel felerősíthető (ahol R1 = R2 és R3 = R4). A nagy pontossághoz precíziós ellenállások alkalmazására van szükség, az erősítést pedig úgy állítják be, hogy az analóg-digitális átalakító (ADC) teljes tartományát kihasználják a legnagyobb felbontás elérése érdekében.

1. ábra Alsó oldali áramérzékelés, az érzékelőellenállás és az ADC közé kapcsolt műveleti erősítővel. (Kép: ON Semiconductor)

Ipari rendszerekben és mérőműszerekben az alakváltozás, nyomás és hőmérséklet mérésére használt érzékelők bekötésekor gyakran alkalmazzák a Wheatstone-hidas kapcsolást (2. ábra). A mérést szolgáltató érzékelő által adott feszültségjel amplitúdója igen alacsony lehet, ezért azt annak az ADC-be való bevezetése előtt erősíteni kell. A precíziós zero-drift műveleti erősítőket gyakran használják ilyen célokra, azok igen nagy erősítési tényezője, alacsony zajszintje és alacsony ofszet feszültségük miatt.

2. ábra Precíziós műveleti erősítőket gyakran használnak Wheatstone-hidas kapcsolással együtt, hogy felerősítsék az alakváltozást, nyomást és hőmérsékletet mérő szenzorokból származó jeleket mielőtt azokat az ADC-be továbbítanák. (Kép: ON Semiconductor)

A precíziós műveleti erősítők fő paraméterei

A legfontosabb paraméterek, amelyek a műveleti erősítők teljesítményét az áramérzékelő és szenzorinterfész alkalmazásokban behatárolják az ofszet feszültség és annak változása a hőmérséklettől és öregedéstől függően (offset drift), valamint a zajérzékenység és a nyílthurkú feszültségerősítési tényező (1. táblázat).

1. táblázat A precíziós műveleti erősítők pontosságát és precizitását befolyásoló fő paraméterek. (Kép: ON Semiconductor)

A bemeneti ofszet feszültség (melynek jelölése gyártótól függően V_OS vagy V_IO) a gyártási folyamatok tökéletlenségéből származó hiba, amely miatt a V_IN+ és V_IN- kapcsok közötti feszültség soha sem lesz egyenlő nullával. Ez az érték minden alkatrésznél egyedi, a hőmérséklettől függően változhat, és lehet pozitív vagy negatív is; ez megnehezíti ennek kompenzálását. A tervezők azon erőfeszítése, hogy csökkentsék a standard műveleti erősítők hibafeszültségét vagy a drift értékét nemcsak tovább bonyolítja az áramköröket, hanem egyes esetekben megnövekedett energiafogyasztást is eredményez.

Vegyünk például egy áramérzékelésre használt műveleti erősítőt tartalmazó kivonó áramkört (3. ábra).

3. ábra Áramérzékelésre használt kivonó áramkör műveleti erősítő alkalmazásával. Ebben az esetben az alacsony ofszet feszültség nagyon fontos, mivel a bemeneti ofszet feszültséghez hozzáadódik a felerősített zaj is, ofszet hibát hozva létre a kimeneten (a rajzon „Error due to V_OS” [VOS miatt bekövetkező hiba]”). (Kép: ON Semiconductor)

A kimeneti feszültség a jelerősítés (V_SENSE) és a V_OS generátorral modellezhető zaj összege, az 1. egyenletnek megfelelően:

 1. egyenlet

Mivel felerősített zaj a műveleti erősítő belső paramétere, a bemeneti ofszet feszültség ezzel arányos értékkel és nem a jelerősítés értékével szorzódik, ami kimeneti ofszet hibát eredményez (a 2. ábrán „Error due to V_OS”-val jelölve”). A precíziós műveleti erősítők megépítésekor különféle technikákat alkalmaznak arra, hogy a minimumra csökkentsék az ofszet feszültség (nullhiba) értékét. Zero-drift műveleti erősítőknél ez legfőképpen az alacsony frekvenciájú és egyenáramú jelekre vonatkozik. A precíziós zero-drift műveleti erősítők ofszet feszültsége két nagyságrenddel is alacsonyabb lehet az általános célú műveleti erősítőkhez képest (2. táblázat).

2. táblázat Bizonyos általános célú műveleti erősítők és chopper-stabilizált zero-drift műveleti erősítők paramétereinek összehasonlításakor az utóbbiak ofszet feszültsége akár két nagyságrenddel is alacsonyabb lehet. (Kép: ON Semiconductor)

Zero-drift műveleti erősítők

Mivel a tulajdonságaik jobbak, a tervezők a zero-drift műveleti erősítők használatával teljesíteni tudják az ipari alkalmazások jelkondicionálási követelményeit. Két példát is említhetünk a különböző teljesítményt kínáló zero-drift műveleti erősítőkre: az ON Semiconductor gyártmányú NCS325SN2T1G és NCS333ASN2T1G jelölésű modellek. A tervezők az NCS325SN2T1G-t olyan precíziós alkalmazásokhoz használhatják fel, amelyeknél az 50 µV értékű ofszet és 0,25 µV/°C hőmérsékleti drift jól kihasználható, míg az NCS333ASN2T1G család a csupán 10 µV ofszettel és 0,07 µV/°C hőmérsékleti drifttel a legigényesebb nagy pontosságú rendszerekhez is alkalmas. Ez a két műveleti erősítő a nulla közeli ofszethibát különböző belső kialakításoknak köszönhetően éri el.

Az NCS333ASN2T1G egy chopper stabilizált kapcsolást használ, amelynek előnye, hogy minimalizálja az ofszet feszültség hőmérsékleti és öregedési driftjét (4. ábra). A klasszikus chopper kapcsolástól eltérően a chopper-stabilizált kapcsolásnál két jelút van.

4. ábra Az NCS333ASN2T1G két jelúttal rendelkezik: a második (alsó) ág a bemeneti ofszet feszültség mintavételezésére szolgál, amelyet az ofszetkiegyenlítésre használ. (Kép: ON Semiconductor)

A 4. ábrán a szaggató az alsó ágon mintavételezi a bemeneti ofszet feszültséget, amelyet azután az ofszetkiegyenlítésre használ, amely 125 kHz frekvencián történik. A chopper-stabilizált kapcsolás úgy van optimalizálva, hogy a legjobb teljesítményt adja a specifikált Nyquist-frekvenciáig (az alkalmazott ofszetiegyenlítési frekvencia feléig). Amint a jel frekvenciája túllépi a Nyquist-frekvenciát (62,5 kHz), alul-mintavételezésre kerülhet sor a kimeneten. Ez minden chopper- és chopper-stabilizált kapcsolás velejáró korlátozó sajátossága.

Mindazonáltal, az NCS333ASN2T1G műveleti erősítőnél az alul-mintavételezés minimális 125 kHz-ig, és alacsony 190 kHz-ig. Az ON Semiconductor szabadalmaztatott kialakítása az alul-mintavételezési hatások csökkentése érdekében a szaggatási frekvenciára és annak ötödik harmonikusára hangolt, kettő kaszkádba kapcsolt szimmetrikus RC-lyukszűrőt tartalmaz.

Auto-zero kapcsolás

A zero-drift műveleti erősítők az auto-zero kapcsolás alkalmazásával is kialakíthatók (5. ábra). Az auto-zero kapcsolásban egy fő erősítő és egy nullázó erősítő található. Működéséhez ezen kívül órajelet is használ. Az első fázisban a kapcsolt kondenzátorok a nullázó erősítő kimenetén tartják az előző fázis ofszet hibáját. A második fázisban a nullázó erősítő kimeneti ofszet hibája van felhasználva a fő erősítő ofszetjének kiegyenlítésére. Az ON Semiconductor NCS325SN2T1G erősítője az auto-zero kapcsolásra épül.

5. ábra Egy auto-zero műveleti erősítő, mint például az NCS325SN2T1G egyszerűsített blokkvázlata, a kapcsolt kondenzátorokkal. (Kép: ON Semiconductor)

A fentebb leírt ofszet feszültség és drift jellemzőkön kívül az NCS333ASN2T1G (chopper-stabilizált kapcsolás) és az NCS325SN2T1G (auto-zero kapcsolás) műveleti erősítők a nyílthurkú feszültségerősítés, a zajkarakterisztika és az alul-mintavételezésre való érzékenység tekintetében is különböznek egymástól. Az NCS333ASN2T1G-nél a nyílthurkú feszültségerősítés 145 decibel (dB), míg az NCS325SN2T1G-nél ez 114 dB. Ami a zajt illeti, az NCS333ASN2T1G-nél a CMRR értéke 111 dB, a PSRR pedig 130 dB, míg az NCS325SN2T1G-nél a CMRR értéke 108 dB, a PSRR pedig 107 dB. Mindkettő nagyon jó névleges tulajdonságokkal rendelkezik, de az NCS333ASN2T1G karakterisztikái jobbak az NCS325SN2T1G-itől.

Az NCS333ASN2T1G sorozatú műveleti erősítőknél az alul-mintavételezés minimális. Ez ezért van, mert az ON Semiconductor szabadalmaztatott kialakítása az alul-mintavételezési hatások csökkentése érdekében a szaggatási frekvenciára és annak ötödik harmonikusára hangolt, kettő kaszkádba kapcsolt szimmetrikus RC-lyukszűrőt tartalmaz. Az auto-zero kapcsolásnál az alul-mintavételezés elméletileg sokkal kifejezettebb mint egy chopper-stabilizált típusnál. Az alul-mintavételezési tulajdonságok azonban széleskörűen változhatnak, és nincsennek mindig megadva. A tervezőnek kell saját magának megállapítania a használt műveleti erősítő alul-mintavételezési paramétereit. Az alul-mintavételezés nem a mintavételezési erősítők egyik hibája, hanem egyik működési tulajdonsága. A zero-drift erősítők legjobb működtetése ennek a viselkedésnek a megismerésével érhető el, valamint azzal, hogy az hogyan kerülhető el.

Végezetül, a műveleti erősítők változó mértékben érzékenyek az elektromágneses interferenciára (EMI). A félvezetők a rétegátmeneteknél képesek felvenni és egyenirányítani az EMI-jeleket, EMI által indukált feszültséghibát okozva a kimeneten, ami hozzáadódik az összhibához. Az EMI-re a bemeneti érintkezők a legérzékenyebbek, ezért a nagy pontosságú NCS333ASN2T1G műveleti erősítők beépített aluláteresztő szűrőket tartalmaznak az EMI-érzékenység csökkentésére.

Tervezési és elrendezési szempontok

A műveleti erősítők optimális működésének biztosítása érdekében a tervezőknek kötelezően be kell tartaniuk az áramköri lapok tervezésének alapszabályait. A nagy pontosságú műveleti erősítők érzékeny eszközök. Igen fontos például 0,1 µF értékű leválasztó kondenzátorokat tenni a tápérintkezőkhöz, méghozzá azokhoz a lehető legközelebb. Párhuzamos kapcsoláskor továbbá az áramköri lapon lévő vezetőpályáknak azonos hosszúságúaknak, azonos méretűeknek és a lehető legrövidebbeknek kell lenniük. A műveleti erősítőnek és a söntellenállásnak a panel ugyanazon oldalán kell lennie, és a legnagyobb pontosságot igénylő alkalmazásokhoz négytagú söntöt (más néven Kelvin-hidat) kell használni. Ezeknek a módszereknek a kombinált alkalmazása csökkenteni fogja az EMI-érzékenységet.

A söntellenállás csatlakoztatásakor mindig követni kell a gyártó ajánlásait. A nem megfelelő csatlakoztatás nem kívánt zavaró hibát ad hozzá a mért jelhez az érzékelő- és vezetőpályák ellenállása miatt (6. ábra).

6. ábra Csatlakozás egy kétvezetékes söntellenálláshoz a zavaró ellenállások (R_Lead és R_Sense) feltüntetésével. (Kép: ON Semiconductor)

A pontosságot befolyásolhatják a hőmérséklet-függő feszültségváltozások a bemeneti érintkezőknél. Ezen ingadozásnak a minimumra csökkentése érdekében a tervezőknek alacsony termoelektromos tényezőjű fémeket kell használniuk, és meg kell akadályozniuk a hőforrások vagy ventilátorok okozta hőmérsékletváltozást.

Összegzés

Egyre nagyobb igény mutatkozik a precíz és pontos jelkondicionálásra az ipari alkalmazások széles körében. Ezen növekvő igény miatt alacsony fogyasztású, kompakt megoldásokra van szükség. A műveleti erősítőknek kritikus szerepük van a jelek kondicionálásában, de a tervezőknek a múltban automatikus kalibrálással és más mechanizmusokkal kellett bővíteniük az áramköröket ahhoz, hogy biztosítsák az elöregedés és a hőmérsékletváltozás okozta instabilitást, ami növelte a bonyolultságot, a költségeket és további energiafogyasztással járt. 

Szerencsére a tervezők számára rendelkezésre állnak a folyamatos automatikus kalibrálást végző nagy teljesítményű zero-drift műveleti erősítők, nagyon alacsony ofszet feszültségekkel és nulla közeli hőmérsékleti és öregedési driftekkel. Ezen túlmenően, az energiafogyasztásuk is igen alacsony, széles dinamikus tartományon belül. Méreteik kompaktak, valamint magas CMRR, PSRR értékekkel és nyílthurkú erősítéssel rendelkeznek, amelyek mind kulcsfontosságú tényezők az ipari alkalmazásoknál.

Ajánlott olvasnivaló

1. Korszerű szenzorok és algoritmusok alkalmazása alacsony költségű mozgáskövetéshez