Comment utiliser des amplificateurs opérationnels à dérive nulle pour atteindre un contrôle basse consommation précis et exact des systèmes industriels

À mesure que les systèmes industriels évoluent d'un contrôle mécanique à un contrôle électronique, les fabricants constatent des gains à la fois en termes de qualité des produits et de sécurité des travailleurs, principalement grâce au fait que les travailleurs sont mieux protégés contre les environnements difficiles. Cependant, ce sont ces environnements difficiles, avec des températures extrêmes ainsi que du bruit électrique et des interférences électromagnétiques (EMI), qui rendent la mise en forme des signaux correcte si essentielle pour maintenir à la fois la stabilité des circuits et la sensibilité requises pour un contrôle fiable et précis pendant la durée de vie des machines industrielles.

Un élément critique de la chaîne de mise en forme des signaux est l'amplificateur opérationnel, un amplificateur différentiel CC à gain élevé utilisé pour acquérir et amplifier les signaux requis. Les amplificateurs opérationnels standard sont sensibles à la dérive de température et ont une précision et une exactitude limitées ; aussi, pour répondre aux exigences industrielles, les concepteurs ajoutent une forme d'étalonnage automatique au niveau du système. Le problème est que cette fonction d'étalonnage peut être complexe à mettre en œuvre et augmente la consommation d'énergie. Elle nécessite également plus d'espace carte et augmente les coûts et les délais de conception.

Cet article passe en revue les exigences de mise en forme des signaux des applications industrielles et les éléments auxquels les concepteurs doivent prêter attention. Il présente ensuite des solutions d'amplificateurs opérationnels à dérive nulle hautes performances d'ON Semiconductor et montre pourquoi et comment ces solutions peuvent être utilisées pour répondre aux exigences industrielles de mise en forme des signaux. D'autres caractéristiques pertinentes de ces dispositifs, telles que les taux de réjection de mode commun (TRMC) élevés, les taux de réjection de l'alimentation (PSRR) élevés et le gain en boucle ouverte élevé, seront également examinées.

Mise en forme des signaux des applications industrielles

Les interfaces de capteurs et de détection du courant bas potentiel sont souvent utilisées dans les systèmes industriels. En raison des très petits signaux différentiels associés à ces circuits, les concepteurs ont besoin d'amplificateurs opérationnels de haute précision.

La détection de courant bas potentiel est utilisée pour détecter les conditions de surintensité et est souvent utilisée dans le contrôle de rétroaction (Figure 1). Une résistance de détection de faible valeur (100 milliohms (mΩ)) est placée en série avec la charge à la terre. La faible valeur de la résistance réduit les pertes de puissance et la production de chaleur, mais entraîne une petite chute de tension correspondante. Un amplificateur opérationnel à dérive nulle de précision peut être utilisé pour amplifier la chute de tension dans la résistance de détection avec un gain défini par les résistances externes R1, R2, R3 et R4 (où R1 = R2, R3 = R4). Des résistances de précision sont nécessaires pour une exactitude élevée, et le gain est défini pour utiliser la pleine échelle du convertisseur analogique-numérique (CAN) pour la plus haute résolution.

Figure 1 : Détection de courant bas potentiel montrant l'interface d'amplificateur opérationnel entre la résistance de détection et le CAN. (Source de l'image : ON Semiconductor)

Les capteurs utilisés pour mesurer la contrainte, la pression et la température dans les systèmes industriels et d'instrumentation sont souvent configurés en pont de Wheatstone (Figure 2). La variation de tension du capteur qui fournit la mesure peut être assez faible et doit être amplifiée avant d'entrer dans le CAN. Les amplificateurs opérationnels à dérive nulle de précision sont souvent utilisés dans ces applications en raison de leur gain élevé, de leur faible bruit et de leur faible tension de décalage.

Figure 2 : Les amplificateurs opérationnels de précision sont souvent utilisés avec des ponts de Wheatstone pour amplifier le signal des capteurs de contrainte, de pression et de température avant d'envoyer ce signal à un CAN. (Source de l'image : ON Semiconductor)

Paramètres clés pour les amplificateurs opérationnels de précision

La tension de décalage, la dérive de tension de décalage, la sensibilité au bruit et le gain en tension en boucle ouverte sont les principaux paramètres qui limitent les performances des amplificateurs opérationnels dans les applications d'interface de capteurs et de détection de courant (Tableau 1).

Tableau 1 : Paramètres clés pour les amplificateurs opérationnels de précision, qui affectent l'exactitude et la précision. (Source de l'image : ON Semiconductor)

La tension de décalage d'entrée (désignée par V_OS ou V_IO, selon le fabricant) découle d'imperfections dans le processus de fabrication des semi-conducteurs qui provoquent une tension différentielle entre V_IN+ et V_IN-. Il s'agit d'une variation composant-à-composant qui peut dériver en fonction de la température et qui peut être positive ou négative, ce qui rend son étalonnage difficile. Les efforts des concepteurs pour réduire le décalage ou la dérive dans les amplificateurs opérationnels standard non seulement ajoutent de la complexité, mais dans certains cas, ils peuvent entraîner une augmentation de la consommation d'énergie.

Par exemple, considérez la détection de courant à l'aide d'un amplificateur opérationnel dans une configuration d'amplificateur différentiel (Figure 3).

Figure 3 : Détection de courant avec un amplificateur opérationnel dans une configuration d'amplificateur différentiel. Une faible tension de décalage est essentielle car la tension de décalage d'entrée est amplifiée par le gain de bruit, ce qui crée une erreur de décalage à la sortie (désignée par « Error due to V_OS »). (Source de l'image : ON Semiconductor)

La tension de sortie est la somme du terme de gain de signal (V_SENSE) et du terme de gain de bruit (V_OS), comme illustré dans l'Équation 1 :

Équation 1

En tant que paramètre interne de l'amplificateur opérationnel, la tension de décalage d'entrée est multipliée par le gain de bruit et non par le gain de signal, résultant en une erreur de décalage de sortie (« Error due to V_OS » dans la Figure 2). Les amplificateurs opérationnels de précision minimisent autant que possible la tension de décalage en utilisant diverses techniques. Dans les amplificateurs opérationnels à dérive nulle, cela s'applique particulièrement aux signaux CC et basse fréquence. La tension de décalage des amplificateurs opérationnels à dérive nulle de précision peut être inférieure de plus de deux ordres de grandeur à celle des amplificateurs opérationnels à usage général (Tableau 2).

Tableau 2 : En comparant la tension de décalage maximum d'une sélection d'amplificateurs opérationnels à usage général et d'amplificateurs opérationnels à dérive nulle stabilisés par découpage, on constate que la tension de décalage des amplificateurs opérationnels à dérive nulle de précision peut être inférieure de plus de deux ordres de grandeur. (Source de l'image : ON Semiconductor)

Amplificateurs opérationnels à dérive nulle

Les concepteurs peuvent répondre aux exigences de mise en forme des signaux des applications industrielles en utilisant des amplificateurs opérationnels à dérive nulle, grâce à leurs performances améliorées. Les dispositifs NCS325SN2T1G et NCS333ASN2T1G d'ON Semiconductor sont deux exemples d'amplificateurs opérationnels à dérive nulle offrant différents niveaux de performances. Les concepteurs peuvent utiliser le dispositif NCS325SN2T1G pour des applications de précision pouvant bénéficier d'un décalage de 50 microvolts (µV) et d'une dérive de 0,25 µV/°C, tandis que le NCS333ASN2T1G est adapté aux applications haute précision les plus exigeantes, avec un décalage de 10 µV et une dérive de seulement 0,07 µV/°C. Ces deux amplificateurs opérationnels atteignent une dérive nulle en utilisant des architectures internes différentes.

Le NCS333ASN2T1G utilise une architecture stabilisée par découpage, qui présente l'avantage de minimiser la dérive de tension de décalage en fonction de la température et du temps (Figure 4). Contrairement à l'architecture à découpage classique, l'architecture stabilisée par découpage a deux chemins de signaux.

Figure 4 : Le NCS333ASN2T1G a deux chemins de signaux : le deuxième chemin (en bas) échantillonne la tension de décalage d'entrée, qui est utilisée pour corriger le décalage à la sortie. (Source de l'image : ON Semiconductor)

Dans la Figure 4, le chemin de signaux du bas est celui où le dispositif à découpage échantillonne la tension de décalage d'entrée, qui est ensuite utilisée pour corriger le décalage à la sortie. La correction du décalage se fait à une fréquence de 125 kilohertz (kHz). L'architecture stabilisée par découpage est optimisée pour obtenir les meilleures performances aux fréquences jusqu'à la fréquence de Nyquist correspondante (1/2 de la fréquence de correction du décalage). Lorsque la fréquence du signal dépasse la fréquence de Nyquist, 62,5 kHz, un repliement peut se produire à la sortie. C'est une limitation inhérente à toutes les architectures à découpage et stabilisées par découpage.

Néanmoins, l'amplificateur opérationnel NCS333ASN2T1G a un repliement minimal jusqu'à 125 kHz et un repliement faible jusqu'à 190 kHz. L'approche brevetée d'ON Semiconductor utilise deux filtres coupe-bande à bande étroite résistance-condensateur (RC) symétriques en cascade, accordés sur la fréquence du dispositif à découpage et sa cinquième harmonique pour réduire les effets de repliement.

Architecture auto-zéro

Une autre approche pour les amplificateurs opérationnels à dérive nulle est l'architecture auto-zéro (Figure 5). La conception auto-zéro est dotée d'un amplificateur principal et d'un amplificateur d'annulation. Il utilise également un système cadencé. Dans la première phase, les condensateurs commutés maintiennent l'erreur de décalage de la phase précédente sur la sortie de l'amplificateur d'annulation. Dans la deuxième phase, le décalage de sortie de l'amplificateur d'annulation est utilisé pour corriger le décalage de l'amplificateur principal. Le NCS325SN2T1G d'ON Semiconductor est conçu selon l'architecture auto-zéro.

Figure 5 : Schéma fonctionnel simplifié d'un amplificateur opérationnel auto-zéro tel que le NCS325SN2T1G montrant les condensateurs commutés. (Source de l'image : ON Semiconductor)

En plus des différences décrites ci-dessus entre le NCS333ASN2T1G (architecture stabilisée par découpage) et le NCS325SN2T1G (architecture auto-zéro) en termes de tension de décalage et de dérive, les différentes architectures produisent des différences de gain en tension en boucle ouverte, de performances de bruit et de sensibilité au repliement. Le NCS333ASN2T1G a un gain en tension en boucle ouverte de 145 décibels (dB), tandis que le NCS325SN2T1G a un gain en tension en boucle ouverte de 114 dB. En ce qui concerne le bruit, le NCS333ASN2T1G a un TRMC de 111 dB et un PSRR de 130 dB, tandis que le NCS325SN2T1G a un TRMC de 108 dB et un PSRR de 107 dB. Les dispositifs présentent tous les deux de bonnes performances, mais le NCS333ASN2T1G surpasse le NCS325SN2T1G.

Les amplificateurs opérationnels série NCS333ASN2T1G ont également un repliement minimal. Cela est dû à l'approche brevetée d'ON Semiconductor qui utilise deux filtres coupe-bande à bande étroite RC symétriques en cascade, accordés sur la fréquence du dispositif à découpage et sa cinquième harmonique pour réduire les effets de repliement. En théorie, une architecture auto-zéro présentera un repliement plus important qu'un type stabilisé par découpage. Mais les effets de repliement peuvent considérablement varier et ne sont pas toujours spécifiés. Il appartient au concepteur de comprendre les caractéristiques de repliement de l'amplificateur opérationnel spécifique utilisé. Le repliement n'est pas un défaut des amplificateurs d'échantillonnage, c'est un comportement. Une bonne connaissance de ce comportement et de la manière de l'éviter peut permettre un meilleur fonctionnement des amplificateurs à dérive nulle.

Enfin, les amplificateurs opérationnels sont plus ou moins sensibles aux interférences électromagnétiques. Les jonctions de semi-conducteurs peuvent capter et redresser les signaux EMI, créant un décalage de tension induit par les interférences électromagnétiques à la sortie, et ajoutant une autre composante à l'erreur totale. Les broches d'entrée sont les plus sensibles aux interférences électromagnétiques. L'amplificateur opérationnel haute précision NCS333ASN2T1G intègre des filtres passe-bas pour réduire la sensibilité aux interférences électromagnétiques.

Points à prendre en compte pour la conception et la configuration

Pour garantir des performances optimales de l'amplificateur opérationnel, il est impératif que les concepteurs adhèrent aux bonnes pratiques de conception de circuits imprimés. Les amplificateurs opérationnels haute précision sont des dispositifs sensibles. Par exemple, il est important de placer les condensateurs de découplage de 0,1 microfarad (µF) le plus près possible des broches d'alimentation. De plus, lors d'une connexion shunt, les pistes du circuit imprimé doivent être de même longueur, de même dimension et aussi courtes que possible. L'amplificateur opérationnel et la résistance shunt doivent se trouver du même côté de la carte, et pour les applications qui exigent le plus haut niveau de précision, il convient d'utiliser des shunts à quatre bornes, également appelés shunts Kelvin. Ces techniques combinées permettront de réduire la sensibilité aux interférences électromagnétiques.

Suivez toujours les recommandations du fabricant du shunt pour la connexion. Une connexion incorrecte entraînera des résistances RLead et RSense parasites indésirables, ce qui augmentera l'erreur (Figure 6).

Figure 6 : Connexion à une résistance shunt à deux bornes illustrant les résistances parasites (R_Lead et R_Sense). (Source de l'image : ON Semiconductor)

La précision peut être affectée par des variations de la tension de décalage en fonction de la température au niveau des broches d'entrée. Pour minimiser ces variations, les concepteurs doivent utiliser des métaux à faible coefficient thermoélectrique et éviter les gradients de température des sources de chaleur ou des ventilateurs.

Conclusion

Le besoin d'une mise en forme des signaux précise et exacte augmente dans un large éventail d'applications industrielles. Cette augmentation s'accompagne d'une exigence en matière de solutions basse consommation compactes. Les amplificateurs opérationnels sont des composants essentiels dans la mise en forme des signaux, mais les concepteurs ont dû ajouter des mécanismes d'auto-étalonnage et autres pour garantir la stabilité sur le temps et la température, augmentant la complexité, le coût et la consommation d'énergie.

Heureusement, les concepteurs peuvent se tourner vers des amplificateurs opérationnels à dérive nulle hautes performances, avec un auto-étalonnage continu, de très faibles tensions de décalage et une dérive quasi nulle sur le temps et la température. De plus, ces dispositifs sont compacts, offrent une basse consommation d'énergie sur une large gamme dynamique, et présentent des taux TRMC et PSRR élevés et un gain en boucle ouverte élevé, des caractéristiques essentielles pour les applications industrielles.

Lecture recommandée

1. Applying advanced sensors and algorithms for low-cost motion tracking