วิธีใช้ออปแอมป์แบบ Zero-Drift เพื่อให้ได้การควบคุมระบบอุตสาหกรรมที่ใช้พลังงานต่ำ ถูกต้อง แม่นยำ

ในขณะที่ระบบอุตสาหกรรมเปลี่ยนจากการควบคุมแบบกลไกไปเป็นการควบคุมแบบอิเล็กทรอนิกส์มากขึ้นผู้ผลิตต่างมองเห็นการเพิ่มขึ้นทั้งในด้านคุณภาพของผลิตภัณฑ์และความปลอดภัยของคนงาน สาเหตุหลักมาจากการที่คนงานได้รับการปกป้องจากสภาพแวดล้อมที่รุนแรง อย่างไรก็ตามสภาพแวดล้อมที่เลวร้ายเหล่านั้นมีอุณหภูมิที่สูงเกินไปรวมทั้งสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้าและคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) ซึ่งทำให้การปรับสภาพสัญญาณที่ดีมีความสำคัญต่อการรักษาเสถียรภาพของวงจรและความไวที่จำเป็นสำหรับการควบคุมการทำงานของเครื่องจักรอุตสาหกรรมที่เชื่อถือได้แม่นยำและแม่นยำ อายุการใช้งาน

ส่วนประกอบที่สำคัญในห่วงโซ่การปรับสภาพสัญญาณคือแอมพลิฟายเออร์ปฏิบัติการ (ออปแอมป์) ซึ่งเป็นแอมพลิฟายเออร์ดิฟเฟอเรนเชียลกำลังรับสูงที่ใช้ในการรับและขยายสัญญาณที่ต้องการ ออปแอมป์มาตรฐานมีความอ่อนไหวต่อการลอยตัวของอุณหภูมิและมีความแม่นยำและความแม่นยำ จำกัด ดังนั้นเพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดทางอุตสาหกรรมนักออกแบบจึงเพิ่มรูปแบบของการสอบเทียบอัตโนมัติระดับระบบบางรูปแบบ ปัญหาคือฟังก์ชันการสอบเทียบนี้อาจซับซ้อนในการใช้งานและเพิ่มการใช้พลังงาน นอกจากนี้ยังต้องใช้พื้นที่บอร์ดมากขึ้นและเพิ่มต้นทุนและเวลาในการออกแบบ

บทความนี้จะทบทวนข้อกำหนดการปรับสภาพสัญญาณของงานอุตสาหกรรมและสิ่งที่นักออกแบบจำเป็นต้องกังวล จากนั้นจะแนะนำโซลูชันออปแอมป์ประสิทธิภาพสูงแบบ zero-drift จาก ON Semiconductor และแสดงเหตุผลและวิธีการใช้เพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดการปรับสภาพสัญญาณอุตสาหกรรม คุณสมบัติอื่น ๆ ที่เกี่ยวข้องของอุปกรณ์เหล่านี้เช่นอัตราส่วนการปฏิเสธโหมดทั่วไปสูง (CMRRs) อัตราส่วนการปฏิเสธแหล่งจ่ายไฟสูง (PSRRs) และอัตราขยายวงเปิดสูงจะถูกตรวจสอบด้วย

แอพพลิเคชั่นปรับสภาพสัญญาณอุตสาหกรรม

อินเทอร์เฟซการตรวจจับและเซ็นเซอร์กระแสไฟด้านต่ำมักใช้ในระบบอุตสาหกรรม เนื่องจากสัญญาณดิฟเฟอเรนเชียลที่เล็กมากที่เกี่ยวข้องกับวงจรเหล่านี้นักออกแบบจึงต้องการออปแอมป์ที่มีความแม่นยำสูง

การตรวจจับกระแสด้านต่ำใช้เพื่อตรวจจับสภาวะกระแสเกินและมักใช้ในการควบคุมป้อนกลับ (รูปที่ 1) ตัวต้านทานการรับรู้ค่าต่ำ (<100 มิลลิโอห์ม (mΩ)) ถูกวางไว้ในอนุกรมพร้อมกับโหลดลงกราวด์ ค่าตัวต้านทานที่ต่ำจะช่วยลดการสูญเสียพลังงานและการสร้างความร้อน แต่ส่งผลให้แรงดันไฟฟ้าลดลงเล็กน้อย สามารถใช้ op-amp แบบ zero-drift ที่มีความแม่นยำเพื่อขยายแรงดันตกคร่อมตัวต้านทานความรู้สึกด้วยอัตราขยายที่กำหนดโดยตัวต้านทานภายนอก R1, R2, R3 และ R4 (โดยที่ R1 = R2, R3 = R4) ต้องใช้ตัวต้านทานที่มีความแม่นยำเพื่อความแม่นยำสูงและตั้งค่าอัตราขยายให้ใช้ตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิตอล (ADC) เต็มสเกลเพื่อความละเอียดสูงสุด

รูปที่ 1: การตรวจจับกระแสด้านต่ำแสดงอินเทอร์เฟซออปแอมป์ระหว่างตัวต้านทานความรู้สึกและ ADC (แหล่งรูปภาพ: ON Semiconductor)

เซ็นเซอร์ที่ใช้ในการวัดความเครียดความดันและอุณหภูมิในระบบอุตสาหกรรมและเครื่องมือวัดมักได้รับการกำหนดค่าในโครงแบบ Wheatstone bridge (รูปที่ 2) การเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าของเซ็นเซอร์ที่ให้การวัดอาจมีขนาดค่อนข้างเล็กและต้องได้รับการขยายก่อนที่จะเข้าสู่ ADC zero-drift ออปแอมป์ที่แม่นยำมักใช้ในแอพพลิเคชั่นเหล่านี้เนื่องจากมีกำไรสูงสัญญาณรบกวนต่ำและแรงดันไฟฟ้าชดเชยต่ำ

รูปที่ 2: ออปแอมป์ที่มีความแม่นยำมักใช้กับสะพานวีทสโตนเพื่อขยายสัญญาณจากเซ็นเซอร์สำหรับความเครียดความดันและอุณหภูมิก่อนที่จะส่งสัญญาณนั้นไปยัง ADC (แหล่งรูปภาพ: ON Semiconductor)

พารามิเตอร์หลักสำหรับออปแอมป์ที่แม่นยำ

แรงดันออฟเซ็ต, การเบี่ยงเบนของแรงดันไฟฟ้าออฟเซ็ต, ความไวต่อเสียงรบกวนและการเพิ่มแรงดันไฟฟ้าแบบวงเปิดเป็นพารามิเตอร์สำคัญที่ จำกัด ประสิทธิภาพของออปแอมป์ในการตรวจจับปัจจุบันและการใช้งานอินเทอร์เฟซเซ็นเซอร์ (ตารางที่ 1)

ตารางที่ 1: พารามิเตอร์สำคัญสำหรับออปแอมป์ที่มีความแม่นยำซึ่งส่งผลต่อความแม่นยำและความแม่นยำ (แหล่งรูปภาพ: ON Semiconductor)

อินพุตชดเชยแรงดันไฟฟ้า (แสดงโดย V_OS หรือ V_IO ขึ้นอยู่กับผู้ผลิต) เกิดจากความไม่สมบูรณ์ในกระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ที่ทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าที่ต่างกันระหว่าง V_IN+ และ V_IN- เป็นรูปแบบส่วนต่อส่วนที่สามารถลอยเหนืออุณหภูมิและอาจเป็นบวกหรือลบทำให้ยากต่อการปรับเทียบ ความพยายามของนักออกแบบในการลดออฟเซ็ตหรือการเบี่ยงเบนในออปแอมป์มาตรฐานไม่เพียงเพิ่มความซับซ้อน แต่ในบางกรณีอาจส่งผลให้ใช้พลังงานเพิ่มขึ้น

ตัวอย่างเช่นพิจารณาการตรวจจับกระแสโดยใช้ออปแอมป์ในการกำหนดค่าเครื่องขยายเสียงที่แตกต่างกัน (รูปที่ 3)

รูปที่ 3: การตรวจจับกระแสด้วยยออปแอมป์ในการกำหนดค่าเครื่องขยายเสียงที่แตกต่างกัน แรงดันออฟเซ็ตต่ำมีความสำคัญเนื่องจากแรงดันออฟเซ็ตอินพุตถูกขยายโดยการเพิ่มสัญญาณรบกวนทำให้เกิดข้อผิดพลาดออฟเซ็ตที่เอาต์พุต (ระบุว่า“ ข้อผิดพลาดเนื่องจาก V_OS”) (แหล่งรูปภาพ: ON Semiconductor)

แรงดันขาออกคือผลรวมของระยะขยายสัญญาณ (V_SENSE) และระยะเพิ่มสัญญาณรบกวน (V_OS) ดังแสดงในสมการที่ 1:

 สมการ 1

ในฐานะพารามิเตอร์ op-amp ภายในแรงดันออฟเซ็ตอินพุตจะคูณด้วยการเพิ่มสัญญาณรบกวนไม่ใช่การเพิ่มสัญญาณทำให้เกิดข้อผิดพลาดในการชดเชยเอาต์พุต (“ ข้อผิดพลาดเนื่องจาก V_OS” ในรูปที่ 2) ออปแอมป์ที่แม่นยำช่วยลดแรงดันออฟเซ็ตให้ได้มากที่สุดโดยใช้เทคนิคต่างๆ ในออปแอมป์แบบ zero-drift สิ่งนี้จะใช้กับสัญญาณความถี่ต่ำและสัญญาณ DC โดยเฉพาะ แรงดันออฟเซ็ตของออปแอมป์ศูนย์ดริฟท์ที่มีความแม่นยำอาจมีขนาดต่ำกว่าสองคำสั่งเมื่อเทียบกับออปแอมป์เอนกประสงค์ (ตารางที่ 2)

ตารางที่ 2: ในการเปรียบเทียบแรงดันออฟเซ็ตสูงสุดของออปแอมป์สำหรับใช้งานทั่วไปที่เลือกและออปแอมป์แบบศูนย์ดริฟท์ที่มีความเสถียรของตัวสับแรงดันออฟเซ็ตของออปแอมป์แบบ zero-drift ที่มีความแม่นยำอาจมีขนาดต่ำกว่าสองลำดับ (แหล่งรูปภาพ: ON Semiconductor)

ออปแอมป์แบบ Zero-drift

ด้วยประสิทธิภาพที่ดีขึ้นนักออกแบบสามารถตอบสนองความต้องการในการปรับสภาพสัญญาณของงานอุตสาหกรรมโดยใช้ออปแอมป์แบบ zero-drift ตัวอย่างของออปแอมป์แบบ zero-drift ที่ให้ประสิทธิภาพในระดับต่าง ๆ คือออปแอมป์จาก ON Semiconductor รุ่น NCS325SN2T1G และ NCS333ASN2T1G นักออกแบบสามารถใช้อุปกรณ์ NCS325SN2T1G สำหรับการใช้งานที่มีความแม่นยำซึ่งจะได้รับประโยชน์จากออฟเซ็ต 50 ไมโครโวลต์ (µV) และดริฟต์ 0.25 µV/° C ในขณะที่ตระกูล NCS333ASN2T1G เหมาะสำหรับการใช้งานที่มีความแม่นยำสูงซึ่งมีความต้องการสูงสุดโดยให้ออฟเซ็ต 10 µV และล่องลอยเพียง 0.07 µV/° C ออปแอมป์ทั้งสองนี้มีการลอยตัวเป็นศูนย์โดยใช้สถาปัตยกรรมภายในที่แตกต่างกัน

NCS333ASN2T1G ใช้สถาปัตยกรรมที่มีความเสถียรของการสับซึ่งให้ประโยชน์ในการลดแรงดันไฟฟ้าออฟเซ็ตที่ลอยอยู่เหนืออุณหภูมิและเวลา (รูปที่ 4) ซึ่งแตกต่างจากสถาปัตยกรรมการสับแบบคลาสสิกสถาปัตยกรรมที่มีความเสถียรของการสับมีสองเส้นทางสัญญาณ

รูปที่ 4: NCS333ASN2T1G มีสองเส้นทางสัญญาณ: เส้นทางที่สอง (ด้านล่าง) จะแสดงตัวอย่างแรงดันออฟเซ็ตอินพุตซึ่งใช้เพื่อแก้ไขออฟเซ็ตที่เอาต์พุต (แหล่งรูปภาพ: ON Semiconductor)

ในรูปที่ 4 เส้นทางสัญญาณด้านล่างคือที่ที่สับจะสุ่มตัวอย่างแรงดันออฟเซ็ตอินพุตซึ่งจะใช้ในการแก้ไขออฟเซ็ตที่เอาต์พุต การแก้ไขออฟเซ็ตเกิดขึ้นที่ความถี่ 125 กิโลเฮิรตซ์ (kHz) สถาปัตยกรรมที่มีความเสถียรของการสับได้รับการปรับให้เหมาะสมเพื่อประสิทธิภาพที่ดีที่สุดที่ความถี่จนถึงความถี่ Nyquist ที่เกี่ยวข้อง (1/2 ของความถี่การแก้ไขออฟเซ็ต) เนื่องจากความถี่สัญญาณเกินความถี่ Nyquist 62.5 kHz จึงอาจมีนามแฝงเกิดขึ้นที่เอาต์พุต นี่เป็นข้อจำกัดโดยธรรมชาติของสถาปัตยกรรมที่มีความเสถียรของเครื่องตัดไฟและเครื่องตัดไฟทั้งหมด

อย่างไรก็ตามออปแอมป์ NCS333ASN2T1G มี alaising น้อยที่สุดที่ไม่เกิน 125 kHz และมี aliasing ต่ำที่ 190 kHz การจดสิทธิบัตรของ ON Semiconductor คือเป็นการใช้ตัวกรองแบบเรียงซ้อน แบบสมมาตร ตัวต้านทาน-ตัวเก็บประจุ (RC) ที่ปรับตามความถี่ของสับและฮาร์มอนิกที่ห้าเพื่อลดเอฟเฟกต์ของaliasing

สถาปัตยกรรมศูนย์อัตโนมัติ

อีกวิธีหนึ่งสำหรับออปแอมป์แบบ zero-drift คือสถาปัตยกรรมศูนย์อัตโนมัติ (รูปที่ 5) การออกแบบศูนย์อัตโนมัติมีแอมป์หลักและแอมป์ที่ว่างเปล่า นอกจากนี้ยังใช้ระบบตอกบัตร ในระยะแรกตัวเก็บประจุแบบสวิตช์จะมีข้อผิดพลาดออฟเซ็ตจากเฟสก่อนหน้าบนเอาต์พุตแอมป์ที่ไม่มีค่า ในขั้นตอนที่สองค่าชดเชยจากเอาต์พุตแอมป์ที่ไม่มีโมฆะใช้เพื่อแก้ไขออฟเซ็ตของแอมป์หลัก NCS325SN2T1G จาก ON Semiconductor สร้างขึ้นโดยใช้สถาปัตยกรรมศูนย์อัตโนมัติ

รูปที่ 5: แผนภาพบล็อกแบบง่ายของออปแอมป์ที่เป็นศูนย์อัตโนมัติเช่น NCS325SN2T1G ที่แสดงตัวเก็บประจุแบบสวิตช์ (แหล่งรูปภาพ: ON Semiconductor)

นอกเหนือจากความแตกต่างระหว่าง NCS333ASN2T1G (สถาปัตยกรรมที่มีความเสถียรของเครื่องตัดไฟ) และ NCS325SN2T1G (สถาปัตยกรรมศูนย์อัตโนมัติ) ในแง่ของแรงดันออฟเซ็ตและการดริฟท์ที่อธิบายไว้ข้างต้นแล้วสถาปัตยกรรมที่แตกต่างกันยังก่อให้เกิดความแตกต่างในการเพิ่มแรงดันไฟฟ้าแบบวงเปิดประสิทธิภาพเสียงและความไวในการเปลี่ยนนามแฝง NCS333ASN2T1G มีแรงดันไฟฟ้าวงเปิดที่ได้รับ 145 เดซิเบล (dB) ในขณะที่ NCS325SN2T1G มีแรงดันไฟฟ้าวงเปิด 114 dB เมื่อพิจารณาจากเสียงรบกวน NCS333ASN2T1G มี CMRR ที่ 111 dB และ PSRR ที่ 130 dB ในขณะที่ NCS325SN2T1G มี CMRR ที่ 108 dB และ PSRR ที่ 107 dB ทั้งสองมีคะแนนที่ดีมาก แต่ NCS333ASN2T1G มีประสิทธิภาพดีกว่า NCS325SN2T1G

ออปแอมป์ซีรีส์ NCS333ASN2T1G ยังมี aliasing น้อยที่สุด นี่เป็นเพราะแนวทางที่ได้รับการจดสิทธิบัตรของ ON Semiconductor โดยใช้ฟิลเตอร์แบบเรียงซ้อนแบบสมมาตร RC notch 2 ตัวที่ปรับความถี่ของการสับและฮาร์มอนิกที่ห้าเพื่อลดเอฟเฟกต์ของ aliasing ในทางทฤษฎีสถาปัตยกรรมศูนย์อัตโนมัติจะแสดง alaising ที่น่าทึ่งมากกว่าประเภทที่มีความเสถียรของ chopper แต่เอฟเฟกต์ของ alaising อาจแตกต่างกันไปและไม่ได้ระบุไว้เสมอไป ขึ้นอยู่กับผู้ออกแบบที่จะเข้าใจลักษณะ aliasing ของออปแอมป์เฉพาะที่ใช้ การใช้ aliasing ไม่ใช่ข้อบกพร่องของเครื่องขยายสัญญาณการสุ่มตัวอย่าง แต่เป็นพฤติกรรม ความรู้เกี่ยวกับพฤติกรรมนี้และวิธีหลีกเลี่ยงสามารถทำให้แอมพลิฟายเออร์ดริฟต์เป็นศูนย์ทำงานได้ดี

สุดท้ายออปแอมป์มีความไวต่อ EMI ในปริมาณที่แตกต่างกัน ทางแยกของเซมิคอนดักเตอร์สามารถรับและแก้ไขสัญญาณ EMI สร้างการชดเชยแรงดันไฟฟ้าที่เหนี่ยวนำ EMI ที่เอาต์พุต เพิ่มส่วนประกอบอื่นให้กับข้อผิดพลาดทั้งหมดได้ พินอินพุตมีความไวต่อ EMI มากที่สุด ออปแอมป์ NCS333ASN2T1G ความแม่นยำสูงรวมตัวกรองความถี่ต่ำเพื่อลดความไวต่อ EMI

ข้อควรพิจารณาในการออกแบบและจัดวาง

เพื่อให้แน่ใจว่าประสิทธิภาพของออปแอมป์ที่ดีที่สุดนักออกแบบจำเป็นต้องปฏิบัติตามแนวทางการออกแบบบอร์ดพีซีที่ดี ออปแอมป์ที่มีความแม่นยำสูงเป็นอุปกรณ์ที่ละเอียดอ่อน ตัวอย่างเช่นการวาง 0.1 microfarad (µF) decoupling capacitors ให้ใกล้กับหมุดจ่ายมากที่สุดเป็นสิ่งสำคัญ นอกจากนี้เมื่อทำการเชื่อมต่อแบบแบ่งร่องรอยของแผงวงจรควรมีความยาวเท่ากันขนาดเท่ากันและสั้นที่สุด ออปแอมป์และตัวต้านทาน shunt ควรอยู่ด้านเดียวกันของบอร์ดและสำหรับการใช้งานที่ต้องการความแม่นยำในระดับสูงสุดควรใช้ตัวแยกสี่ขั้วหรือที่เรียกว่า Kelvin shunts เทคนิคที่รวมกันเหล่านี้จะช่วยลดความอ่อนแอของ EMI

ปฏิบัติตามคำแนะนำของผู้ผลิต shunt เสมอเกี่ยวกับการเชื่อมต่อ การเชื่อมต่อที่ไม่เหมาะสมจะเพิ่มตะกั่วที่ไม่ต้องการและความต้านทานต่อการวัดและเพิ่มข้อผิดพลาด (รูปที่ 6)

รูปที่ 6: การเชื่อมต่อกับตัวต้านทานแบบ shunt สองขั้วแสดงให้เห็นความต้านทานที่มีการเบี่ยงเบน(R_Lead และ R_Sense). (แหล่งรูปภาพ: ON Semiconductor)

ความแม่นยำอาจได้รับผลกระทบจากการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าออฟเซ็ตขึ้นอยู่กับอุณหภูมิที่พินอินพุต เพื่อลดรูปแบบเหล่านี้ให้เหลือน้อยที่สุดนักออกแบบควรใช้โลหะที่มีค่าสัมประสิทธิ์เทอร์โมอิเล็กทริกต่ำและป้องกันการไล่ระดับอุณหภูมิจากแหล่งความร้อนหรือพัดลมระบายความร้อน

สรุป

ความจำเป็นในการปรับสภาพสัญญาณที่แม่นยำและแม่นยำกำลังเพิ่มขึ้นในการใช้งานในอุตสาหกรรมต่าง ๆ การเติบโตนี้มาพร้อมกับความต้องการโซลูชันขนาดกะทัดรัดที่ใช้พลังงานต่ำ ออปแอมป์เป็นส่วนประกอบที่สำคัญในการปรับสภาพสัญญาณ แต่นักออกแบบจำเป็นต้องเพิ่มการปรับเทียบอัตโนมัติและกลไกอื่น ๆ เพื่อให้แน่ใจว่ามีเสถียรภาพตลอดเวลาและอุณหภูมิเพิ่มความซับซ้อนค่าใช้จ่ายและการใช้พลังงานเพิ่มเติม 

โชคดีที่นักออกแบบสามารถเปลี่ยนไปใช้ออปแอมป์แบบ zero-drift ที่มีประสิทธิภาพสูงด้วยการปรับเทียบอัตโนมัติอย่างต่อเนื่อง แรงดันไฟฟ้าชดเชยที่ต่ำมาก และการลอยตัวใกล้ศูนย์ตลอดเวลาและทุกอุณหภูมิ นอกจากนี้ยังมีการใช้พลังงานต่ำในช่วงไดนามิกกว้างมีขนาดกะทัดรัดและมี CMRR สูง PSRR สูงและอัตราขยายวงเปิดสูงซึ่งเป็นลักษณะสำคัญทั้งหมดสำหรับงานอุตสาหกรรม

การอ่านที่แนะนำ

1. การใช้เซ็นเซอร์และอัลกอริทึมขั้นสูงสำหรับการติดตามการเคลื่อนไหวที่ใช้ต้นทุนต่ำ