Miten käyttää nollasiirtymän tarjoavia operaatiovahvistimia tarkkaan ja vähävirtaiseen teolliseen järjestelmäohjaukseen

Teollisten järjestelmien siirtyessä yhä enemmän mekaanisesta ohjauksesta sähköiseen ohjaukseen, valmistajat huomaavat etuja sekä tuotannon laadussa että työntekijöiden turvallisuudessa. Jälkimmäinen on seurausta lähinnä siitä, että työntekijät ovat paremmin suojattu haastavista ympäristöolosuhteista. Tällaisten haastavien ympäristöolosuhteiden äärilämpötilat sekä sähköinen kohina ja sähkömagneettiset häiriöt (EMI) tekevät kuitenkin asianmukaisesta signaalinparannuksesta tärkeää. Tämä parantaa sekä piirien stabiiliutta sekä herkkyyttä, joita tarvitaan luotettavaan ja tarkkaan ohjaukseen teollisten koneistojen koko käyttöiän aikana.

Operaatiovahvistin on tärkeä komponentti signaalinparannusketjussa. Se on vahvistukseltaan korkea differentiaalinen DC-vahvistin, jota käytetään haluttujen signaalien lukemiseen ja vahvistukseen. Tavallisissa operaatiovahvistimissa esiintyy ryömintää lämpötilan mukaan ja niiden tarkkuus on rajallinen. Teollisiin vaatimuksiin vastatakseen suunnittelijat lisäävät jonkinlaisen järjestelmätason automaattisen kalibroinnin. Ongelma on se, että tämä kalibrointitoiminto voi olla kompleksinen toteuttaa ja se lisää virrankulutusta. Se vaatii myös tilaa piirilevyltä sekä kasvattaa kustannuksia ja suunnitteluaikaa.

Tässä artikkelissa tarkastellaan signaalinparannusvaatimuksia teollisuuden sovelluksissa sekä sitä mitä suunnittelijoiden on otettava huomioon. Tämän jälkeen artikkelissa esitellään korkeatehoisia operaatiovahvistinratkaisuita nollasiirtymällä yritykseltä ON Semiconductor sekä näytetään miksi ja miten niitä voidaan käyttää teollisuuden signaalinparannusvaatimusten täyttämiseksi. Artikkelissa tarkastellaan myös muita näiden laitteiden tärkeitä ominaisuuksia, esimerkkeinä korkeat CMRR-suhteet (Common Mode Rejection Ratio), korkeat PSRR-suhteet (Power Supply Rejection Ratio) sekä korkea avoien silmukan vahvistus.

Teollisuuden signaalinparannussovellukset

Teollisuusjärjestelmissä käytetään usein alapuolen virranmittausta ja anturirajapintaa. Koska nämä piirit tuottavat hyvin pieniä differentiaalisignaaleja, suunnittelijat tarvitsevat erittäin tarkkoja operaatiovahvistimia.

Alapuolen virranmittausta käytetään tunnistamaan ylivirtatilanteet ja sitä käytetään usein takaisinkytkennässä (kuva 1). Pieniarvoinen mittausvastus (<100 milliohmia (mΩ)) kytketään sarjaan kuroman ja maan väliin. Pieni vastusarvo vähentää tehohäviötä ja lämmöntuottoa, mutta vastaavasti sen jännite-ero on pieni. Tarkkaa operaatiovahvistinta nollasiirtymällä voidaan käyttää vahvistamaan jännite-eroa mittausvastuksen ylitse. Vahvistus asetetaan ulkoisilla vastuksilla R1, R2, R3 ja R4 (missä R1 = R2, R3 = R4). Korkeaan tarkkuuteen vaaditaan tarkkuusvastuksia ja vahvistus asetetaan korkeimman resoluution saamiseksi käyttämään analogia-digitaalimuuntimen (ADC) koko toiminta-aluetta.

Kuva 1: Alapuolen virranmittaus näyttää operaatiovahvistimen rajapinnan mittausvastuksen ja AD-muuntimen välissä. (Kuvan lähde: ON Semiconductor)

Teollisuus- ja instrumentointijärjestelmissä venymän, paineen ja lämpötilan mittaukseen käytettävät anturit on usein konfiguroitu Wheatstone-siltakonfiguraatioon (kuva 2). Mittauksen tuottava anturin jännitemuutos voi olla varsin pieni ja sitä on vahvistettava ennen kuin se viedään AD-muuntimelle. Tällaisissa sovelluksissa käytetään usein tarkkoja operaatiovahvistimia nollasiirtymällä, koska ne tarjoavat korkean vahvistuksen, alhaisen kohinan sekä alhaiset offset-jännitteet.

Kuva 2: Tarkkoja operaatiovahvistimia käytetään usein Wheatstone-siltana vahvistamaan anturien signaalia venymä-, paine tai lämpötilamittauksessa ennen signaalin viemistä AD-muuntimelle. (Kuvan lähde: ON Semiconductor)

Tarkkojen operaatiovahvistimien avainparametrit

Offset-jännite, offset-jännitteen ryömintä, kohinaherkkyys ja avoimen silmukan vahvistus ovat tärkeimmät parametrit, jotka rajoittavat operaatiovahvistimien tehokkuutta virtamittaus- ja anturirajapintasovelluksissa (taulukko 1).

Taulukko 1: Taulukko tärkeimmistä tarkkojen operaatiovahvistimien tarkkuuteen vaikuttavista parametreista. (Kuvan lähde: ON Semiconductor)

Offset-tulojännite (merkitään V_OS tai V_IO valmistajasta riippuen) aiheutuu puolijohteen valmistusprosessin epätäydellisyydestä, joka synnyttää jännitedifferentiaalin V_IN+- ja V_IN-.-jännitteiden välille Tämä on osakohtainen variaatio, joka voi ryömiä lämpötilan mukaan ja joka voi olla positiivista tai negatiivista. Tästä syystä sen kalibrointi on vaikeaa. Suunnittelijoiden yritykset vähentää tavallisten operaatiovahvistimien offset-jännitettä tai ryömintää lisää kompleksisuutta ja saattaa eräissä tilanteissa lisätä virrankulutusta.

Ajatellaanpa esimerkiksi virtamittausta käyttämällä operaatiovahvistinta erovahvistin-konfiguraatiossa (kuva 3).

Kuva 3: Virtamittaus erovahvistin-konfiguraatiossa olevalla operaatiovahvistimella. Alhainen offset-jännite on kriittistä, koska kohina-vahvistus vahvistaa offset-tulojännitettä ja aiheuttaa lähtöön offset-virheen (merkitään “V_OS-jännitteestä aiheutuva virhe”). (Kuvan lähde: ON Semiconductor)

Lähtöjännite on signaalin vahvistustermin (V_SENSE) ja kohinan vahvistustermin (V_OS) summa, kuten yhtälössä 1 esitetään:

Yhtälö 1

Offset-jännite on operaatiovahvistimen sisäinen parametri ja se kerrotaan kohinavahvistuksella, ei signaalivahvistuksella. Tämä synnyttää offset-lähtövirheen (kuvassa 2 “V_OS-jännitteestä aiheutuva virhe”). Tarkat operaatiovahvistimet minimoivat offset-jännitettä mahdollisimman paljon käyttäen erilaisia tekniikoita. Operaatiovahvistimissa nollasiirtymällä tämä koskee erityisesti alhaisen taajuuden signaaleja ja DC-signaaleja. Tarkkojen nollasiirtymää käyttävien operaatiovahvistimien offset-jännite voi olla suuruudeltaan yi kaksi kertaluokkaa pienempi yleiskäyttöisiin operaatiovahvistimiin verrattuna (taulukko 2).

Taulukko 2: Vertailtaessa valittujen yleiskäyttöisten operaatiovahvistimien ja hakkuristabilisoitujen nollasiirtymää käyttävien operaatiovahvistimien suurimpia offset-jännitteitä, tarkkojen nollasiirtymää käyttävien operaatiovahvistimien offset-jännite voi olla yli kahta kertaluokkaa alhaisempi. (Kuvan lähde: ON Semiconductor)

Operaatiovahvistimet nollasiirtymällä

Suunnittelijat voivat hyödyntää operaatiovahvistimien parannettua suorituskykyä ja vastata teollisuussovellusten signaalinparannusvaatimuksiin käyttämällä operaatiovahvistimia nollasiirtymällä. Kaksi eritasoista suorituskykyä tarjoavaa esimerkkiä operaatiovahvistimista nollasiirtymällä ovat ON Semiconductor -yrityksen NCS325SN2T1G ja NCS333ASN2T1G. Suunnittelijat voivat käyttää NCS325SN2T1G-laitetta tarkkuussovelluksissa, joissa 50 mikrovoltin (µV) offset-jännitteestä ja 0,25 µV/°C:n ryöminnästä on etua. NCS333ASN2T1G-perhe vuorostaan sopii kaikkein vaativimpiin tarkkuussovelluksiin vain 10 µV:n offset-jännitteellä ja 0,07 µV/°C:n ryöminnällä. Nämä kaksi operaatiovahvistinta tarjoavat nollasiirtymän käyttäen erilaista sisäistä arkkitehtuuria.

NCS333ASN2T1G käyttää hakkuristabilisoitua arkkitehtuuria, jonka etuna on offset-jännitteen lämpötila- ja aikaryöminnän minimointi (kuva 4). Toisin kuin klassisessa hakkuriarkkitehtuurissa, hakkuristabilisoidussa arkkitehtuurissa on kaksi signaalireittiä.

Kuva 4: NCS333ASN2T1G tarjoaa kaksi signaalireittiä: toinen reitti (alhaalla) ottaa näytteitä offset-tulojännitteestä, jota käytetään offset-lähtöjännitteen korjaamiseen. (Kuvan lähde: ON Semiconductor)

Kuvassa 4 alempi signaalireitti on se, missä hakkuri ottaa näytteitä offset-tulojännitteestä, joita tämän jälkeen käytetään korjaamaan offset-lähtöjännitettä. Offset-korjaus suoritetaan 125 kilohertsin (kHz)taajuudella. Hakkuristabilisoitu arkkitehtuuri on optimoitu toimimaan parhaiten taajuuksilla vastaavaan Nyquist-taajuuteen saakka (1/2 offset-korjaustaajuudesta). Kun signaalin taajuus ylittää Nyquist-taajuuden 62,5 kHz, lähdössä voi tapahtua laskostumista. Tämä on kaikkien hakkuri- ja hakkuristabilisoitujen arkkitehtuurien rajoite.

NCS333ASN2T1G-operaatiovahvistimen laskostuminen on kuitenkin minimaalista 125 kHz:n taajuuteen saakka ja pientä 190 kHz:n taajuuteen saakka. ON Semiconductor -yrityksen patentoima tapa käyttää kahta peräkkäistä ja symmetristä vastus-kondensaattori (RC) -kaistanestosuodatinta, jotka on säädetty hakkuritaajuudelle ja sen viidennelle harmoniselle taajuudelle laskostumisvaikutusten vähentämiseksi.

Autonollaus-arkkitehtuuri

Toinen tapa toteuttaa operaatiovahvistimet nollasiirtymällä on autonollaus-arkkitehtuuri (kuva 5). Autonollausmalli käyttää päävahvistinta ja nollausvahvistinta. Myös se käyttää kellotettua järjestelmää. Ensimmäisessä vaiheessa kytkentäkondensaattori pitävät edellisen vaiheen offset-virheen nollausvahvistimen lähdössä. Toisessa vaiheessa nollausvahvistimen lähdön offset-jännitettä käytetään päävahvistimen offset-jännite. ON Semiconductorin NCS325SN2T1G on rakennettu käyttäen autonollaus-arkkitehtuuria.

Kuva 5: Autonollaus-operaatiovahvistimen, kuten NCS325SN2T1G, yksinkertaistettu lohkokaavio näyttää kytkentäkondensaattorit. (Kuvan lähde: ON Semiconductor)

Sen lisäksi että NCS333ASN2T1G-piirin (hakkuristabilisoitu arkkitehtuuri) NCS325SN2T1G-piirin (autonollaus-arkkitehtuuri) offset-jännitteet ja ryömintä poikkeavat toisistaan aikaisemmin kuvatulla tavalla, erilaiset arkkitehtuurit synnyttävät eroja avoimen silmukan vahvistuksessa, kohinaherkkyydessä ja herkkyydessä laskostumiselle. NCS333ASN2T1G tarjoaa avoimen silmukan jännitevahvistuksen 145 desibeliä (dB), kun taas NCS325SN2T1G-piirin avoimen silmukan jännitevahvistus on 114 dB. Kohinan suhteen NCS333ASN2T1G-piirin CMRR on 111 dB ja PSRR 130 dB, kun NCS325SN2T1G-piirin CMRR on 108 dB ja PSRR 107 dB. Kummankin piirin arvot ovat hyvät, mutta NCS333ASN2T1G on parempi kuin NCS325SN2T1G.

NCS333ASN2T1G-sarjan operaatiovahvistimien laskostuminen on minimaalista. Tämä on sen ansiosta, että ON Semiconductor -yrityksen patentoima tapa käyttää kahta peräkkäistä ja symmetristä RC-kaistanestosuodatinta, jotka on säädetty hakkuritaajuudelle ja sen viidennelle harmoniselle taajuudelle laskostumisvaikutusten vähentämiseksi. Teoreettisesti autonollaus-arkkitehtuurin laskostuminen on dramaattisempaa kuin hakkuristabilisoidun tyypin. Laskostumisvaikutukset voivat kuitenkin vaihdella voimakkaasti eikä niitä ole aina spesifioitu. Suunnittelijan on ymmärrettävä käytettävän operaatiovahvistimen laskostumisominaisuudet. Laskostuminen ei ole näytteistävien vahvistimien vika, se on ominaisuus. Tämän ominaisuuden ymmärtäminen ja sen tietäminen miten välttää se, saa nollasiirtymää käyttävät vahvistimet toimimaan parhaimmalla tavalla.

Lopuksi operaatiovahvistimien EMI-herkkyys vaihtelee. Puolijohdeliitokset saattavat poimia EMI-signaaleja ja synnyttää lähtöön EMI-lähtöisen offset-jännitteen. Tämä lisää toisen komponentin kokonaisvirheeseen. Tulopinnit ovat kaikkein herkimpiä EMI-häiriöille. Erittäin tarkka NCS333ASN2T1G-operaatiovahvistin sisältää alipäästösuodattimet, jotka vähentävät sen EMI-herkkyyttä.

Suunnittelu- ja sijoitteluhuomioita

Jotta operaatiovahvistin toimisi optimaalisesti, suunnittelijoiden on noudatettava hyviä piirilevysuunnittelukäytäntöjä. Erittäin tarkat operaatiovahvistimet ovat herkkiä laitteita. On tärkeää esimerkiksi sijoittaa 0,1 mikrofaradin (µF) erotuskondensaattorit mahdollisimman lähelle virtapinnejä. Myös sivupiirikytkentää tehtäessä piirilevyn johtimien tulisi olla saman pituiset, saman mittaiset ja mahdollisimman lyhyet. Operaatiovahvistimen ja sivupiirivastuksen tulisi olla samalla puolella piirilevyä ja sovelluksissa, joissa tarvitaan erittäin suurta tarkkuutta, tulisi käyttää neljällä terminaalilla varustettua sivupiiriä, jota kutsutaan myös Kelvin-sivupiiriksi. Nämä tekniikat vähentävät yhdessä EMI-herkkyyttä.

Noudata aina sivupiirin valmistajan suosituksia siihen kytkemisessä. Epäsopiva kytkentä lisää ei-toivottuja hukkajohtimia ja mittausvastusta mittaukseen ja lisää virhettä (kuva 6).

Kuva 6: Kytkentä kahden terminaalin sivupiirivastukseen esittää hukkaresistanssit (R_{Lead (johdin)} ja R_{Sense (mittaus)}). (Kuvan lähde: ON Semiconductor)

Tulopinnien lämpötilasta riippuvat offset-jännitteen vaihtelut vaikuttavat mittaustarkkuuteen. Vähentääkseen näitä vaihteluita suunnittelijoiden tulisi käyttää sellaisia metalleja, joiden termisähköinen kerroin on alhainen sekä ehkäistä lämpökohteiden ja jäähdytystuulettimien aiheuttamat lämpötilagradientit.

Yhteenveto

Tarve tarkalle signaalinparannukselle kasvaa erilaisissa teollisuussovelluksissa. Tämän lisäksi tarvitaan vähävirtaisia ja kompakteja ratkaisuita. Operaatiovahvistimet ovat kriittisiä komponentteja signaalinparannuksessa, mutta suunnittelijoiden on täytynyt lisätä niihin automaattinen kalibrointi sekä muita mekanismeja, joilla pyritään varmistamaan niiden stabiilius ajasta ja lämpötilasta riippumatta. Tämä lisää kompleksisuutta, hintaa ja virrankulutusta 

Onneksi suunnittelijat voivat kääntyä korkeatehoisten nollasiirtymän tarjoavien ja jatkuvaa autokalibrointia käyttävien operaatiovahvistimien puoleen. Ne tarjoavat erittäin alhaisen offset-jännitteen sekä lähes nollasiirtymän ajan ja lämpötilan suhteen. Lisäksi niiden virrankulutus on alhainen laajalla dynaamisella alueella ja ne ovat kompakteja. Ne tarjoavat korkeat CMRR-arvot, korkeat PSRR-arvot sekä korkean avoimen silmukan vahvistuksen. Nämä ovat kaikki tärkeitä ominaisuuksia teollisuussovelluksissa.

Suositeltavaa luettavaa

1. Korkeatasoisten anturien ja algoritmien käyttö edullisessa liikkeen seurannassa