Cómo elegir y utilizar amplificadores operacionales de precisión de manera efectiva

Al diseñar sistemas de acondicionamiento de señales de front end, los diseñadores generalmente prefieren utilizar circuitos integrados para la adquisición de datos altamente integrados a gran escala ampliamente disponibles en lugar de soluciones discretas para reducir el costo, el tiempo, el tamaño y la lista de materiales (BOM). Sin embargo, existen algunas aplicaciones, como los sistemas de prueba, medición e instrumentación de alto rendimiento, en las que el amplificador operacional discreto que interactúa con un sensor especializado se convierte en un componente de front end fundamental que requiere atención especial.

Este amplificador operacional de precisión de una sola función es un dispositivo especializado que cuenta con compensación de voltaje, desviación de desplazamiento y corriente de polarización de entrada extremadamente bajos mientras equilibra el ancho de banda, el ruido y el rendimiento de disipación de potencia.

Según los diseñadores, existen dos desafíos de diseño que deben superarse al usar estos dispositivos de precisión: la elección del dispositivo más adecuado para la aplicación y el descubrimiento de todo su potencial de rendimiento. Esto último requiere la comprensión de su funcionamiento y su correcta aplicación para evitar la anulación involuntaria de algunos de sus atributos de habilitación de precisión.

El objetivo de este artículo es describir el papel y los matices de los amplificadores operacionales de precisión y sus consideraciones de diseño. Luego se hará uso de estas consideraciones de diseño para mostrar cómo seleccionar y utilizar un amplificador operacional de precisión de manera efectiva a través de soluciones de muestra de Analog Devices.

El papel de los amplificadores operacionales de precisión

Lo atractivo de un CI a gran escala con un amplificador operacional potencialmente menos preciso es que se permite asegurar el rendimiento del canal del sensor simplemente al "calibrar" las imperfecciones del amplificador operacional. Sin embargo, esto demanda mucho tiempo y la realidad es que los sensores y los front ends de los canales son muy difíciles de calibrar con precisión, especialmente una vez que un sistema está en el campo. Para poder apreciar esto, es importante observar el papel de los amplificadores operacionales de precisión.

Los amplificadores operacionales de precisión se utilizan principalmente entre sensores como los calibradores de tensión, transductores piezoeléctricos ultrasónicos y fotodetectores para capturar las señales de salida sin cargar la salida del transductor. Por lo tanto, los amplificadores operacionales transmiten con precisión esa señal condicionada al resto de la cadena de señal analógica, la cual generalmente concluye con un convertidor de analógico a digital (ADC). También se utilizan en filtros analógicos en los que no distorsionan o compensan con CC la señal de interés.

En estas aplicaciones, es fundamental que el rendimiento del amplificador operacional sea lineal, repetible y estable con respecto al tiempo, la temperatura y el riel de suministro. Además, en la mayoría de los casos, debe ser de bajo ruido (la salida del sensor u otra señal analógica suele ser bastante pequeña), tener una respuesta de frecuencia plana en todo el espectro y ser veloz con un sobreimpulso y sonido mínimos. En muchas oportunidades, la aplicación funciona con batería, por lo que el amplificador operacional necesita consumir la menor potencia posible en los modos activo y de reposo.

El amplificador operacional de precisión de una sola función está representado esquemáticamente por el símbolo estándar del amplificador operacional (Figura 1). Esto, sin embargo, oculta la complejidad de lo que es un dispositivo discreto especializado.

Figura 1: El símbolo esquemático para el amplificador operacional de precisión es el mismo que para el amplificador operacional estándar, y no se indica la clase, el rendimiento o los parámetros de este dispositivo de procesamiento de señales de front-end fundamental y crítico. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Los parámetros de rendimiento del amplificador operacional que a menudo son factores de segundo y tercer nivel en aplicaciones sin precisión suben para alcanzar las primeras posiciones en los amplificadores operacionales de precisión. Estos incluyen ruido, generalmente especificado en microvoltios (µV) o nanovoltios (nV) por raíz hertz (√Hz), voltaje de compensación de entrada y su deriva, corriente de polarización de entrada y su deriva, así como los factores habituales de ganancia, ancho de banda y velocidad de respuesta.

Tanto el voltaje de compensación de entrada como la corriente de polarización de entrada merecen observase en detalle:

El voltaje de compensación de entrada es el voltaje de corriente continua (CC) que debe aplicarse entre las dos terminales de entrada de un amplificador operacional para anular o poner a cero la salida. La ganancia del amplificador operacional podrá aumentar cualquier voltaje de compensación y, por lo tanto, contribuirá al error en la salida, en función de la configuración de ganancia del amplificador operacional.

La corriente de polarización de entrada es la pequeña cantidad de corriente que atraviesa las conexiones de entrada del amplificador operacional para polarizar adecuadamente los circuitos internos. El problema que puede causar es la falta de una ruta de retorno a la fuente del sensor para esta corriente, ya que las corrientes de polarización de entrada inversoras y no inversoras del amplificador operacional tienden a dirigirse hacia el mismo lugar, ya sea hacia adentro del amplificador operacional o hacia afuera de él.

Otro problema que podría surgir con las corrientes de polarización de entrada es que podrían causar una caída de voltaje no deseada a través de la resistencia del sensor conectado a la entrada. Si esta resistencia es baja (y a menudo lo es), este desplazamiento resultante podría ser insignificante. Si la resistencia de entrada es muy alta, como la de un electrodo de sonda de pH con resistencia de megaohmios, podría ser un problema serio.

Para estos y otros parámetros del amplificador operacional, la deriva inducida por la temperatura en sus valores también es un problema. Los cambios debidos a la deriva son difíciles de corregir. Sin embargo, los errores a temperatura nominal pueden compensarse ya sea con ajustes manuales de hardware, aunque estos agregan costos y tiempo, o con correcciones de software.

Además, el amplificador operacional podría mostrar cambios en el rendimiento debido al envejecimiento, así como también a la temperatura, y dicho valor de envejecimiento es impredecible. Muchas hojas de datos de amplificadores operacionales de precisión proporcionan especificaciones de envejecimiento para los parámetros claves, pero el envejecimiento es un proceso aleatorio y, por lo tanto, se puede caracterizar solo por valores probables en lugar de valores definitivos.

A pesar del escenario, la medición efectiva de los voltajes de compensación de entrada y de las corrientes de polarización de estos dispositivos de precisión resulta bastante difícil y la implementación de esquemas de compensación beneficiosos y efectivos también constituye un desafío. Un mejor enfoque es considerar solo un producto que tenga una hoja de datos integral con múltiples tablas y gráficos que caractericen y definan todos los aspectos relevantes del rendimiento, además de proporcionar información de la aplicación.

Cómo obtener lo necesario de un amplificador operacional de precisión

Cada implementación del amplificador operacional representa una compensación entre los diversos aspectos de diseño, proceso, ajuste y prueba de un dispositivo real. Las pequeñas diferencias que existen entre los amplificadores operacionales de precisión y los dispositivos estándar implican que el diseñador debe determinar qué parámetros y valores son prioritarios y debe asignar una ponderación relativa a cada uno.

Considere dos familias de amplificadores operacionales de precisión de Analog Devices: los dispositivos ADA4805-1 de un solo canal y ADA4805-2 de dos canales, y el dispositivo ADA4896-2 de dos canales.

Si bien son similares en su función básica, presentan algunas diferencias importantes, como se muestra en los aspectos destacados (Tabla 1). Si la prioridad de diseño es un ruido de voltaje más bajo, el ADA4896 parece ser la mejor opción, a pesar de que tiene un ruido de corriente y un voltaje de compensación de entrada más alto que la familia ADA4805. Por supuesto, existen muchas otras compensaciones entre las dos familias en áreas como la energía, el voltaje de modo común y otros factores.

Tabla 1: Las familias de amplificadores operacionales de precisión ADA4805 y ADA4896 presentan diferencias importantes con respecto al ruido de corriente y al voltaje de compensación de entrada, entre otros parámetros. (Fuente de datos de la tabla: DigiKey)

La salida también es importante

Si bien las características de entrada y el rendimiento son factores importantes al evaluar amplificadores operacionales de precisión, la salida también debe tenerse en cuenta. Entre los factores importantes se encuentran la velocidad de respuesta y la oscilación de salida. Por ejemplo, los dispositivos ADA4805 tienen un circuito interno de mejora de rotación que aumenta la velocidad de respuesta a medida que también aumenta el voltaje de error de retroalimentación, lo que permite una respuesta más rápida y el ajuste del amplificador a entradas escalonadas grandes (Figura 2).

Figura 2: Respuesta de escalón del ADA4805 para tamaños de escalones de salida seleccionados. El ADA4805 tiene un circuito interno de mejora de rotación que aumenta la velocidad de respuesta a medida que también aumenta el voltaje de error de retroalimentación, lo que permite una respuesta más rápida y el ajuste del amplificador a entradas escalonadas grandes. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Tenga en cuenta que muchas de las señales de los sensores para las cuales estos amplificadores operacionales proporcionan acondicionamiento no son entradas escalonadas, ya que estos sensores a menudo se multiplexan. Por lo tanto, el amplificador operacional podría ver cambios de escalón a medida que el multiplexor (mux) cambia de canal. El impacto de la mejora de la rotación en los dispositivos ADA4805 también se puede ver en la respuesta de frecuencia de señal grande, en las que las señales de entrada más grandes producen un ligero aumento en el pico (Figura 3).

Figura 3: El pico de las respuestas de frecuencia para el ADA4805 es una función del nivel de señal, lo que se muestra aquí con una ganancia de +1. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Cuando el amplificador ADA4805 se apaga, la salida pasa a un estado de alta impedancia, y la impedancia disminuye a medida que aumenta la frecuencia. Los dispositivos ADA4805 proporcionan 62 dB de aislamiento directo a 100 kilohertz (kHz) en modo apagado (Figura 4).

Figura 4: El aislamiento directo/apagado del ADA4805 es una función de la frecuencia, que disminuye a medida que aumenta la frecuencia. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Se puede utilizar un amplificador operacional de precisión como el ADA4805 para realizar la conversión de la salida de extremo único inherente de un sensor al modo diferencial preferido por muchos ADC de alto rendimiento; se prefieren tales señales diferenciales ya que reducen el ruido y la distorsión armónica. Este logro es un ejemplo de una compensación de diseño clásica: utilice un amplificador diferencial o configure dos amplificadores físicos distintos para realizar la conversión de extremo único a diferencial. La primera opción generalmente ofrece un mejor rendimiento pero a un costo más elevado que la solución de dos amplificadores.

La familia ADA4805 resuelve este dilema a través de la combinación de las ventajas de ambos. La distorsión armónica baja inherente, el voltaje de compensación bajo y la corriente de polarización baja de los dispositivos significa que pueden producir una salida diferencial similar al rendimiento de los ADC de alta resolución y, sin embargo, hacerlo a un costo comparable con la solución del amplificador diferencial único.

La situación se complica cuando se manejan cargas capacitivas. La capacitancia en la salida de un amplificador crea un retraso de tiempo (cambio de fase) dentro de la ruta de retroalimentación que puede provocar un sonido y una oscilación excesivos si se encuentra dentro del ancho de banda del bucle. Por ejemplo, la curva de respuesta comparada con la curva de ganancia del ADA4896-2 muestra que la mayor cantidad de picos ocurre con una ganancia de +2 (Figura 5).

Figura 5: La respuesta de frecuencia de señal pequeña comparada con la ganancia para el ADA4896-2 muestra cómo varía con la ganancia (con R_L = 1 kiloohm (kΩ); cuando G = +1, R_F = 0 ohm (Ω); de lo contrario, R_F = 249 Ω). (Fuente de la imagen: Analog Devices).

La solución estándar para este pico no deseado es agregar una resistencia de "amortiguación" de bajo valor en serie con la salida del amplificador y su carga capacitiva para minimizar el problema. Un amortiguador pequeño de 100 Ω elimina este pico por completo, pero conlleva una compensación ya que la ganancia de bucle cerrado se reduce en 0.8 dB debido a la atenuación en la salida. El valor de la resistencia de amortiguación se puede ajustar entre 0 Ω y 100 Ω para ofrecer un nivel aceptable de ganancia de pico y de circuito cerrado (Figura 6).

Figura 6: El uso de una resistencia amortiguadora (R_SNUB) en la salida reduce el pico para la respuesta de frecuencia del ADA4896-2 en el peor de los casos, lo que se muestra con una ganancia de +2. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Al usar un amplificador con ganancia seleccionable, la cadena de señal puede acomodar una amplia gama de posibles señales de entrada. En un amplificador seleccionable de ganancia tradicional, los interruptores en el circuito de retroalimentación se conectan a la entrada inversora. La resistencia pequeña pero inevitable de estos interruptores disminuye el rendimiento del ruido del amplificador al tiempo que agrega una capacitancia significativa en el nodo de entrada inversora, los cuales socavan el rendimiento de bajo ruido del amplificador operacional. Además, las resistencias se suman al error de ganancia no lineal, lo que compromete el rendimiento del amplificador operacional.

Para evitar esta degradación, los diseñadores pueden utilizar una topología de conmutación de ganancia programable que mantiene el rendimiento del ruido de 1 nV/Hz del ADA4896-2 mientras reduce su error de ganancia no lineal (Figura 7). La selección de interruptores con capacitancia mínima también optimiza el ancho de banda del circuito.

Figura 7: Los dos canales del ADA4896-2 más el interruptor analógico ADG633 pueden utilizarse para construir un amplificador de ganancia seleccionable de bajo ruido con un error de ganancia no lineal reducido para impulsar una carga de resistencia baja. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

La corriente de polarización del amplificador de entrada, por más pequeña que sea, puede causar un desplazamiento en la salida que varía según la configuración de ganancia. Sin embargo, dado que las etapas del amplificador de entrada y del búfer de salida del ADA4896-2 forman parte de un solo dispositivo monolítico, sus corrientes de polarización coinciden estrechamente. Esta característica cancelará en gran medida el desplazamiento variable.

Consideraciones de empaque y diseño

Un amplificador operacional de precisión es más que un circuito cuidadosamente diseñado fabricado en un molde semiconductor. La forma en que se empaqueta y cómo se despliega dicho paquete afecta el rendimiento del dispositivo de acuerdo con lo que dice la hoja de datos que puede hacer en condiciones "perfectas".

Similar a las referencias de voltaje de precisión, el paquete del amplificador operacional está sujeto a pequeñas cantidades de tensión mecánica por la colocación y el proceso de soldadura inicial, así como también por la flexión y vibración normales de la placa de PC en el campo. La tensión resultante puede causar cambios pequeños pero posiblemente significativos en el rendimiento del dispositivo. Esto se debe al efecto piezoeléctrico sobre el cristal de la matriz y otras características del material.

Por lo tanto, es importante asegurarse de que la placa de PC sea lo suficientemente rígida, y que cuente con un soporte adicional de ser necesario. Incluso puede ser necesario realizar un ciclo térmico de la placa previo a su colocación para aliviar el estrés latente.

Al igual que sucede con muchos circuitos analógicos, especialmente los de precisión, el diseño y la conexión a tierra son consideraciones clave para el éxito del diseño. Es fundamental evitar la fuente de alimentación a través del uso de condensadores de mayor y menor valor en paralelo. Típicamente, el par de derivación consiste en un condensador electrolítico de 10 microfaradios (µF) en paralelo con un condensador cerámico de 0.1 µF. El condensador de valor más bajo debe colocarse del mismo lado de la placa que el amplificador y lo más cerca posible de sus pines de alimentación.

Dispositivos de un solo canal comparados con dispositivos de dos canales

La elección entre las versiones de un amplificador operacional de precisión de un solo canal y de dos canales implica algunas compensaciones y compromisos clásicos (Figura 8). Por ejemplo, un dispositivo dual tiene un espacio de paquete más pequeño por función, así como un espacio reducido en general, ya que requiere menos condensadores de derivación.

Figura 8: Pines del ADA4805-1 en un paquete SOT-23 de 6 conductores (izquierda); Pines del ADA4805-2 en un MSOP de 8 conductores (derecha). (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Sin embargo, según el esquema del circuito, la utilización de un dispositivo dual puede requerir la ejecución de trazas de señal de entrada de bajo nivel en distancias más largas; esto ocupará espacio, complicará el diseño y también aumentará la captación de ruido. Por lo tanto, la decisión de utilizar dos dispositivos de un solo canal en lugar de un solo dispositivo de dos canales debe evaluarse en términos de proximidad de las funciones respectivas del amplificador, CI agregado y espacio del dispositivo pasivo relacionado, y rendimiento eléctrico; no solo debe considerarse la simplificación de la lista de materiales.

Reglas contraintuitivas de conexión a tierra para amplificadores operacionales de precisión

Las reglas de conexión a tierra para amplificadores operacionales de precisión son opuestas a lo que los diseñadores de diseño de placa suelen asumir, a saber, que tener más áreas y planos de tierra resulta positivo.

Al utilizar amplificadores operacionales de precisión, es importante evitar la conexión a tierra debajo y alrededor de sus entradas y salidas, ya que la capacitancia parásita creada entre el plano de tierra y las almohadillas de entrada y salida es perjudicial para el rendimiento del amplificador de alta velocidad. La capacitancia parásita en la entrada inversora, junto con la capacitancia de entrada del amplificador, también reduce el margen de fase y puede causar inestabilidad. En la salida, la capacitancia parásita crea un polo en el bucle de retroalimentación que también puede reducir el margen de fase y hacer que el circuito se vuelva inestable.

Cómo comenzar a utilizar amplificadores operacionales de precisión

La exploración de los diferentes detalles en el rendimiento de estos amplificadores operacionales se simplifica con el uso de placas de evaluación proporcionadas por el proveedor. Afortunadamente, los pines de la mayoría de los amplificadores operacionales en un paquete dado están estandarizados mayormente dentro de la cartera del proveedor (y en la industria en gran medida), por lo que se puede utilizar una sola placa de evaluación para muchos modelos de amplificadores operacionales.

Por ejemplo, los Analog Devices EVAL-HSAMP-2RMZ-8 es una placa desnuda (despoblada) de evaluación de seis capas para amplificadores de dos canales MSOP de 8 conductores. Permite el uso de conectores SMA montados en el borde de las entradas y salidas para una eficiente conexión de banda ancha a equipos de prueba u otros circuitos(Figura 9).

Figura 9: La placa de circuito impreso desnudo de seis capas de Analog Devices EVAL-HSAMP-2RMZ-8 para la evaluación de amplificadores operacionales duales MSOP de 8 conductores permite el uso de conectores SMA montados en el borde de las entradas y salidas. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

El plano de tierra de la placa de evaluación y la colocación de componentes están diseñados para minimizar las inductancias y capacitancias parásitas, lo que no es evidente solo al observar su esquema (Figura 10).

Figura 10: El esquema de la placa de evaluación Analog Devices EVAL-HSAMP-2RMZ-8. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Si bien el esquema del EVAL-HSAMP-2RMZ-8 muestra interconexiones y asignaciones de espacio de componentes, no muestra los valores reales. Esto se debe a que la placa no está poblada para permitir que el usuario evalúe el rendimiento con valores de dispositivos pasivos que coinciden con el amplificador operacional y las necesidades de la aplicación. Los componentes de la placa de evaluación sugeridos son principalmente el tamaño de caja SMT 0603, a excepción de los condensadores electrolíticos de derivación (C1 y C2), que son de un tamaño de caja 1206.

Conclusión:

Los circuitos integrados de adquisición de datos a gran escala altamente integrados pueden reducir el costo, el tiempo, el tamaño y la lista de materiales (BOM), aunque algunas aplicaciones requieren un amplificador operacional de precisión discreto. Este dispositivo de una sola función es altamente especializado, lo que dificulta la selección y el diseño para alcanzar su potencial de rendimiento completo.

Sin embargo, con el conocimiento apropiado de los muchos factores que intervienen en la selección del dispositivo preferido, el proceso de selección puede acelerarse. Una vez seleccionados, deben considerarse los factores descritos para la correcta aplicación del amplificador operacional de precisión. Al realizar esto, no se comprometerá el rendimiento real de los dispositivos según la hoja de datos. Además, las placas de evaluación combinadas con el conocimiento sobre la ubicación y el diseño de la placa (factores físicos que no aparecen en el diagrama esquemático) son fundamentales para el éxito del diseño.