Wie man driftfreie Operationsverstärker verwendet, um eine präzise und energiesparende Steuerung industrieller Systeme zu erreichen

Da industrielle Systeme zunehmend von der mechanischen zur elektronischen Steuerung übergehen, verzeichnen die Hersteller Gewinne sowohl bei der Produktqualität als auch bei der Sicherheit der Arbeitnehmer; letzteres ist vor allem darauf zurückzuführen, dass die Arbeitnehmer besser vor rauen Umgebungen geschützt sind. Es sind jedoch gerade diese rauen Umgebungen mit extremen Temperaturen sowie elektrischem Rauschen und elektromagnetischen Interferenzen (EMI), die eine gute Signalkonditionierung so wichtig machen, um sowohl die Stabilität als auch die Empfindlichkeit der Schaltung aufrechtzuerhalten, die für eine zuverlässige, präzise und genaue Steuerung über die Betriebsdauer von Industriemaschinen erforderlich sind.

Eine kritische Komponente in der Signalaufbereitungskette ist der Operationsverstärker (OPV), ein DC-Differenzverstärker mit hoher Verstärkung, der zur Erfassung und Verstärkung der erforderlichen Signale verwendet wird. Branchenübliche Operationsverstärker sind anfällig für Temperaturdrift und haben eine begrenzte Genauigkeit. Um den industriellen Anforderungen gerecht zu werden, fügen Entwickler daher eine Form der automatischen Kalibrierung auf Systemebene hinzu. Das Problem ist, dass diese Kalibrierungsfunktion komplex zu implementieren sein kann und den Stromverbrauch erhöht. Sie erfordert außerdem mehr Platz auf der Leiterplatte und erhöht die Kosten und die Entwicklungszeit.

Dieser Artikel gibt einen Überblick über die Signalkonditionierungsanforderungen industrieller Anwendungen und darüber, worauf Designer achten müssen. Anschließend werden leistungsstarke driftlose Operationsverstärkerlösungen von ON Semiconductor vorgestellt und gezeigt, warum und wie sie zur Erfüllung industrieller Signalkonditionierungsanforderungen eingesetzt werden können. Andere relevante Eigenschaften dieser Bauelemente wie hohes Gleichtaktunterdrückungsverhältnis (CMRR), hoher Versorgungsspannungsdurchgriff (PSRR) und hohe Leerlaufverstärkung werden ebenfalls untersucht.

Industrielle Anwendungen zur Signalkonditionierung

Low-Side-Strommessung und Sensorschnittstellen werden häufig in industriellen Systemen eingesetzt. Aufgrund der sehr kleinen Differenzsignale, die mit diesen Schaltungen verbunden sind, benötigen Entwickler hochpräzise Operationsverstärker.

Die Low-Side-Strommessung dient zur Erkennung von Überstrombedingungen und wird häufig bei der Rückkopplungssteuerung verwendet (Abbildung 1). Ein niederwertiger Messwiderstand (<100 Milliohm (mΩ)) ist in Reihe mit der Last gegen Masse geschaltet. Der niedrige Wert des Widerstandes reduziert Leistungsverluste und Wärmeentwicklung, führt aber zu einem entsprechend geringen Spannungsabfall. Ein driftloser Präzisions-Operationsverstärker kann verwendet werden, um den Spannungsabfall über dem Messwiderstand mit einem durch externe Widerstände R1, R2, R3 und R4 (wobei R1 = R2, R3 = R4) eingestellten Faktor zu verstärken. Für eine hohe Genauigkeit sind Präzisionswiderstände erforderlich, und die Verstärkung wird so eingestellt, dass die volle Skala des Analog/Digital-Wandlers (ADC) für die höchste Auflösung ausgenutzt wird.

Abbildung 1: Low-Side-Strommessung, die die Operationsverstärker-Schnittstelle zwischen dem Abtastwiderstand und dem ADC zeigt. (Bildquelle: ON Semiconductor)

Sensoren, die zur Messung von Dehnung, Druck und Temperatur in Industrie- und Instrumentierungssystemen verwendet werden, werden oft in einer Wheatstone-Brücke konfiguriert (Abbildung 2). Die Änderung der Sensorspannung, die die Messung liefert, kann recht klein sein und muss verstärkt werden, bevor sie in den ADC geht. Driftlose Präzisions-Operationsverstärker werden aufgrund ihrer hohen Verstärkung, ihres geringen Rauschens und ihrer niedrigen Offsetspannungen häufig in diesen Anwendungen eingesetzt.

Abbildung 2: Präzisionsoperationsverstärker werden oft mit Wheatstone-Brücken verwendet, um das Signal von Sensoren für Dehnung, Druck und Temperatur zu verstärken, bevor dieses Signal an einen ADC gesendet wird. (Bildquelle: ON Semiconductor)

Schlüsselparameter für Präzisions-Operationsverstärker

Offsetspannung, Offsetspannungsdrift, Rauschanfälligkeit und Spannungsverstärkung im offenen Regelkreis sind die Schlüsselparameter, die die Leistung von Operationsverstärkern bei Strommess- und Sensorschnittstellenanwendungen begrenzen (Tabelle 1).

Tabelle 1: Schlüsselparameter für Präzisions-Operationsverstärker, die die Präzision beeinflussen. (Bildquelle: ON Semiconductor)

Die Offsetspannung am Eingang (je nach Hersteller mit V_OS oder V_IO bezeichnet) leitet sich von Fehlern im Halbleiterherstellungsprozess ab, die eine Differenzspannung zwischen V_IN+ und V_IN- verursachen. Es handelt sich um eine Abweichung von Teil zu Teil, die sich mit der Temperatur ändern und positiv oder negativ sein kann, was die Kalibrierung erschwert. Die Bemühungen der Entwickler, den Offset oder die Drift bei Standard-Operationsverstärkern zu reduzieren, erhöht nicht nur die Komplexität, sondern kann in einigen Fällen auch zu einem erhöhten Stromverbrauch führen.

Betrachten Sie zum Beispiel die Strommessung mit einem Operationsverstärker in einer Differenzverstärker-Konfiguration (Abbildung 3).

Abbildung 3: Strommessung mit einem Operationsverstärker in einer Differenzverstärker-Konfiguration. Eine niedrige Offsetspannung ist kritisch, da die Eingangs-Offsetspannung durch die Rauschverstärkung verstärkt wird, was zu einem Offset-Fehler am Ausgang führt (vermerkt als „Error due to V_OS“). (Bildquelle: ON Semiconductor)

Die Ausgangsspannung ist die Summe aus dem Signalverstärkungsterm (V_SENSE) und dem Rauschverstärkungsterm (V_OS), wie in Gleichung 1 gezeigt:

 Gleichung 1

Als interner Operationsverstärker-Parameter wird die Eingangs-Offsetspannung mit der Rauschverstärkung und nicht mit der Signalverstärkung multipliziert, was zu einem Ausgangs-Offset-Fehler führt („Error due to V_OS“ in Abbildung 2). Präzisionsoperationsverstärker minimieren die Offsetspannung so weit wie möglich durch verschiedene Techniken. Bei driftfreien Operationsverstärkern gilt dies insbesondere für Niederfrequenz- und DC-Signale. Die Offsetspannung von driftlosen Präzisions-Operationsverstärkern kann im Vergleich zu Allzweck-Operationsverstärkern um mehr als zwei Größenordnungen niedriger liegen (Tabelle 2).

Tabelle 2: Bei einem Vergleich der maximalen Offsetspannung ausgewählter Allzweck-Operationsverstärker und Chopper-stabilisierter driftloser Operationsverstärker kann die Offset-Spannung von driftlosen Präzisions-Operationsverstärkern um mehr als zwei Größenordnungen niedriger liegen. (Bildquelle: ON Semiconductor)

Driftlose Operationsverstärker

Mit ihrer verbesserten Performance können Entwickler die Signalkonditionierungsanforderungen industrieller Anwendungen mit driftlosen Operationsverstärkern erfüllen. Zwei Beispiele für driftlose Operationsverstärker, die unterschiedliche Leistungsniveaus bieten, sind die NCS325SN2T1G und die NCS333ASN2T1G von ON Semiconductor. Entwickler können den Baustein NCS325SN2T1G für Präzisionsanwendungen einsetzen, die von einem Offset von 50 Mikrovolt (µV) und einer Drift von 0,25 µV/°C profitieren können, während die Familie NCS333ASN2T1G für anspruchsvollste Hochpräzisionsanwendungen geeignet ist und einen Offset von 10 µV und eine Drift von nur 0,07 µV/°C liefert. Diese beiden Operationsverstärker erreichen unter Verwendung unterschiedlicher interner Architekturen eine Null-Drift.

Der NCS333ASN2T1G verwendet eine Chopper-stabilisierte Architektur, die den Vorteil bietet, dass die Offsetspannungsdrift über Temperatur und Zeit minimiert wird (Abbildung 4). Im Gegensatz zur klassischen Chopper-Architektur hat die Chopper-stabilisierte Architektur zwei Signalpfade.

Abbildung 4: Der NCS333ASN2T1G verfügt über zwei Signalpfade: Der zweite Pfad (unten) tastet die Eingangs-Offsetspannung ab, die zur Korrektur des Offsets am Ausgang verwendet wird. (Bildquelle: ON Semiconductor)

In Abbildung 4 wird im unteren Signalpfad die Eingangs-Offsetspannung durch den Chopper abgetastet und das Resultat zur Korrektur des Offsets am Ausgang verwendet. Die Offset-Korrektur erfolgt bei einer Frequenz von 125 Kilohertz (kHz). Die Chopper-stabilisierte Architektur ist für beste Leistung bei Frequenzen bis zur zugehörigen Nyquist-Frequenz (1/2 der Offset-Korrekturfrequenz) optimiert. Da die Signalfrequenz die Nyquist-Frequenz von 62,5 kHz überschreitet, kann es am Ausgang zu Aliasing kommen. Dies ist eine inhärente Einschränkung aller Chopper- und Chopper-stabilisierten Architekturen.

Dennoch verfügt der Operationsverstärker NCS333ASN2T1G über minimales Aliasing bis 125 kHz und geringes Aliasing bis 190 kHz. Der patentierte Ansatz von ON Semiconductor verwendet zwei kaskadierte, symmetrische Widerstand/Kondensator-Kerbfilter (RC-Kerbfilter), die auf die Chopperfrequenz und deren fünfte Harmonische abgestimmt sind, um Aliasing-Effekte zu reduzieren.

Auto-Zero-Architektur

Ein weiterer Ansatz für driftlose Operationsverstärker ist die Auto-Zero-Architektur (Abbildung 5). Das Auto-Zero-Design hat einen Haupt- und einen Nullspannungsverstärker. Es verwendet darüber hinaus ein getaktetes System. In der ersten Phase halten die geschalteten Kondensatoren den Offset-Fehler der vorherigen Phase am Ausgang des Nullspannungsverstärkers. In der zweiten Phase wird der Offset des Nullspannungsverstärkerausgangs zur Korrektur des Offsets des Hauptverstärkers verwendet. Der NCS325SN2T1G von ON Semiconductor ist nach der Auto-Zero-Architektur aufgebaut.

Abbildung 5: Vereinfachtes Blockdiagramm eines Auto-Zero-Operationsverstärkers wie dem NCS325SN2T1G mit den geschalteten Kondensatoren. (Bildquelle: ON Semiconductor)

Zusätzlich zu den oben beschriebenen Unterschieden zwischen dem NCS333ASN2T1G (Chopper-stabilisierte Architektur) und dem NCS325SN2T1G (Auto-Zero-Architektur) in Bezug auf Offsetspannung und Drift erzeugen die verschiedenen Architekturen Unterschiede in der Spannungsverstärkung bei offenem Regelkreis, im Rauschverhalten und in der Aliasing-Empfindlichkeit. Der NCS333ASN2T1G hat eine Spannungsverstärkung von 145 Dezibel (dB), während der NCS325SN2T1G eine Spannungsverstärkung von 114 dB aufweist. Was das Rauschen betrifft, so weist der NCS333ASN2T1G einen CMRR von 111 dB und einen PSRR von 130 dB auf, während der NCS325SN2T1G einen CMRR von 108 dB und einen PSRR von 107 dB aufweist. Beide haben sehr gute Bewertungen, aber der NCS333ASN2T1G übertrifft den NCS325SN2T1G.

Die Operationsverstärker der Serie NCS333ASN2T1G weisen zudem ein minimales Aliasing auf. Dies ist auf den patentierten Ansatz von ON Semiconductor zurückzuführen, der zwei kaskadierte, symmetrische RC-Kerbfilter verwendet, die auf die Chopperfrequenz und deren fünfte Harmonische abgestimmt sind, um Aliasing-Effekte zu reduzieren. Theoretisch wird eine Auto-Zero-Architektur ein dramatischeres Aliasing aufweisen als ein chopper-stabilisierter Typ. Aliasing-Effekte können jedoch sehr unterschiedlich sein und werden nicht immer spezifiziert. Es ist Sache des Entwicklers, die Aliasing-Eigenschaften des verwendeten Operationsverstärkers zu verstehen. Aliasing ist kein Defekt von Abtastverstärkern, es ist ein Verhalten. Wenn man dieses Verhalten kennt und weiß, wie es zu vermeiden ist, sind driftlose Verstärker die beste Option.

Und nicht zuletzt sind Op-Amps unterschiedlich anfällig für EMI. Halbleiterübergänge können EMI-Signale aufnehmen und gleichrichten, wodurch ein EMI-induzierter Spannungsoffset am Ausgang erzeugt wird, wodurch eine weitere Komponente zum Gesamtfehler hinzukommt. Eingangspins sind am empfindlichsten für EMI. Der hochpräzise Operationsverstärker NCS333ASN2T1G integriert Tiefpassfilter, um die Empfindlichkeit gegenüber EMI zu verringern.

Überlegungen zu Design und Layout

Um eine optimale Leistung des Operationsverstärkers zu gewährleisten, ist es zwingend erforderlich, dass die Entwickler sich an gute Praktiken beim Leiterplattendesign halten. Hochpräzise Operationsverstärker sind empfindliche Komponenten. Zum Beispiel ist es wichtig, Entkopplungskondensatoren mit 0,1 Mikrofarad (µF) so nahe wie möglich an den Versorgungspins zu platzieren. Auch bei der Herstellung eines Nebenschlusses sollten die Leiterbahnen der Leiterplatte gleich lang sein, gleiche Dimensionen aufweisen und so kurz wie möglich sein. Der Operationsverstärker und der Shunt-Widerstand sollten sich auf derselben Seite der Platine befinden, und für Anwendungen, die ein Höchstmaß an Genauigkeit erfordern, sollten Shunts mit vier Anschlüssen, auch Kelvin-Shunts genannt, verwendet werden. Diese kombinierten Techniken werden die Anfälligkeit für EMI verringern.

Befolgen Sie stets die Empfehlungen des Shunt-Herstellers zum Anschluss an diesen. Eine unsachgemäße Verbindung führt zu unerwünschten Streuleitungen und Messwiderständen bei der Messung und erhöht den Fehler (Abbildung 6).

Abbildung 6: Anschluss an einen zweipoligen Shunt-Widerstand, der Streuwiderstände darstellt (R_Lead und R_Sense). (Bildquelle: ON Semiconductor)

Die Genauigkeit kann durch temperaturabhängige Offset-Spannungsschwankungen an den Eingangspins beeinflusst werden. Um diese Schwankungen zu minimieren, sollten Entwickler Metalle mit niedrigen thermoelektrischen Koeffizienten verwenden und Temperaturgradienten von Wärmequellen oder Lüftern vermeiden.

Fazit

Der Bedarf an präziser Signalkonditionierung wächst in einer Reihe von industriellen Anwendungen. Dieses Wachstum geht einher mit dem Bedarf an energiesparenden, kompakten Lösungen. Operationsverstärker sind kritische Komponenten bei der Signalkonditionierung, aber die Entwickler mussten Autokalibrierung und andere Mechanismen hinzufügen, um die Stabilität über Zeit und Temperatur zu gewährleisten, was die Komplexität, die Kosten und den zusätzlichen Stromverbrauch erhöht.

Glücklicherweise können Entwickler auf driftlose Hochleistungs-Operationsverstärker mit kontinuierlicher Autokalibrierung, sehr niedrigen Offset-Spannungen und nahezu ohne Drift über Zeit und Temperatur zurückgreifen. Darüber hinaus haben sie einen niedrigen Stromverbrauch über einen großen Dynamikbereich, sind kompakt und zeichnen sich durch hohe CMRRs, hohe PSRRs und hohe Open-Loop-Verstärkung aus - alles wichtige Eigenschaften für industrielle Anwendungen.

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