Cómo usar los op-amps de deriva cero para lograr un control del sistema industrial preciso, exacto y de baja potencia.

A medida que los sistemas industriales pasan cada vez más del control mecánico al electrónico, los fabricantes están viendo mejoras tanto en la calidad de los productos como en la seguridad de los trabajadores; esta última se debe principalmente a que los trabajadores están más protegidos de los entornos difíciles. Sin embargo, son esos ambientes hostiles, con temperaturas extremas así como con ruido eléctrico e interferencia electromagnética (IEM), los que hacen que el buen acondicionamiento de la señal sea tan crítico para mantener tanto la estabilidad del circuito como la sensibilidad necesaria para un control fiable, preciso y exacto durante la vida operativa de la maquinaria industrial.

Un componente crítico en la cadena de acondicionamiento de señales es el amplificador operacional (op-amp), un amplificador diferencial de corriente continua de alta ganancia que se utiliza para adquirir y amplificar las señales requeridas. Los amplificadores de operaciones estándar son susceptibles a la deriva de la temperatura y tienen una precisión y exactitud limitadas; por lo tanto, para cumplir con los requisitos industriales, los diseñadores añaden alguna forma de calibración automática a nivel de sistema. El problema es que esta función de calibración puede ser compleja de implementar y aumenta el consumo de energía. También requiere más espacio en la placa y aumenta el costo y el tiempo de diseño.

En este artículo se revisarán los requisitos de acondicionamiento de la señal de las aplicaciones industriales y lo que debe preocupar a los diseñadores. A continuación, presentará soluciones de alto rendimiento con cero deriva de ON Semiconductor y mostrará por qué y cómo se pueden utilizar para cumplir con los requisitos de acondicionamiento de señales industriales. También se examinarán otras características relevantes de estos dispositivos, como las altas tasas de rechazo del modo común (CMRR), las altas tasas de rechazo de la fuente de alimentación (PSRR) y la alta ganancia en lazo abierto.

Aplicaciones industriales de acondicionamiento de señales

La detección de corrientes de baja intensidad y las interfaces de los sensores se utilizan a menudo en los sistemas industriales. Debido a las muy pequeñas señales diferenciales asociadas a estos circuitos, los diseñadores necesitan amplificadores ópticos de alta precisión.

La detección de corrientes de baja intensidad se utiliza para detectar condiciones de sobrecorriente y suele emplearse en el control de la retroalimentación (Figura 1). Una resistencia sensorial de bajo valor (<100 miliohms (mΩ)) se coloca en serie con la carga a tierra. El bajo valor de la resistencia reduce las pérdidas de energía y la generación de calor, pero resulta en una caída de voltaje correspondientemente pequeña. Se puede utilizar un op-amp de precisión de deriva cero para amplificar la caída de voltaje a través de la resistencia sensora con una ganancia establecida por las resistencias externas R1, R2, R3 y R4 (donde R1 = R2, R3 = R4). Se requieren resistencias de precisión para una alta exactitud, y la ganancia se establece para utilizar la escala completa del convertidor analógico-digital (ADC) para la más alta resolución.

Figura 1: Detección de corriente de lado bajo mostrando la interfaz op-amp entre la resistencia sensora y la CAD. (Fuente de la imagen: ON Semiconductor)

Los sensores utilizados para medir la tensión, la presión y la temperatura en los sistemas industriales y de instrumentación suelen estar configurados en una configuración de puente de Wheatstone (figura 2). El cambio de voltaje del sensor que proporciona la medición puede ser bastante pequeño y tiene que ser amplificado antes de entrar en el ADC. Los amplificadores ópticos de precisión de deriva cero se utilizan a menudo en estas aplicaciones debido a sus altas ganancias, bajo ruido y bajos voltajes de compensación.

Figura 2: Los amplificadores ópticos de precisión se utilizan a menudo con los puentes de Wheatstone para amplificar la señal de los sensores de tensión, presión y temperatura antes de enviar esa señal a un ADC. (Fuente de la imagen: ON Semiconductor)

Parámetros clave de los amplificadores de precisión

La tensión de compensación, la deriva de la tensión de compensación, la susceptibilidad al ruido y la ganancia de tensión en lazo abierto son los parámetros clave que limitan el rendimiento de los amplificadores ópticos en las aplicaciones de detección de corriente y de interfaz de sensores (Tabla 1).

Tabla 1: Parámetros clave para los op-amps de precisión que afectan la exactitud y la precisión. (Fuente de la imagen: ON Semiconductor)

La tensión de offset de entrada (denotada por V_OS o V_IO, dependiendo del fabricante) deriva de imperfecciones en el proceso de fabricación del semiconductor que causan una tensión diferencial entre V_IN+ y V_IN-. Es una variación de parte a parte que puede derivar sobre la temperatura y puede ser positiva o negativa, lo que dificulta la calibración. Los esfuerzos de los diseñadores por reducir la desviación o el desplazamiento de los amplificadores ópticos estándar no solo añaden complejidad, sino que en algunos casos pueden dar lugar a un mayor consumo de energía.

Por ejemplo, considere la detección de corriente utilizando un amplificador óptico en una configuración de amplificador diferencial (Figura 3).

Figura 3: Detección de corriente con un op-amp en una configuración de amplificador diferencial. El bajo voltaje de compensación es crítico, ya que el voltaje de compensación de entrada es amplificado por la ganancia de ruido, creando un error de compensación en la salida (anotado como "Error debido a V_OS"). (Fuente de la imagen: ON Semiconductor)

El voltaje de salida es la suma del término de ganancia de la señal (V_SENSE) y el término de ganancia del ruido (V_OS), como se muestra en la Ecuación 1:

 Ecuación 1

Como parámetro interno del amplificador operativo, el voltaje de offset de entrada se multiplica por la ganancia de ruido y no por la ganancia de la señal, lo que da como resultado un error de offset de salida ("Error debido a V_OS" en la Figura 2). Los op-amps de precisión minimizan el voltaje de compensación tanto como sea posible usando varias técnicas. En los amplificadores de operación de deriva cero, esto se aplica particularmente a las señales de baja frecuencia y CC. El voltaje de compensación de los amplificadores de operaciones de precisión de deriva cero puede ser más de dos órdenes de magnitud inferior en comparación con los amplificadores de operaciones de propósito general (Tabla 2).

Tabla 2: En una comparación del máximo voltaje de desplazamiento de los amplificadores de operaciones de propósito general seleccionados y de los amplificadores de operaciones de deriva cero estabilizados por helicóptero, el voltaje de desplazamiento de los amplificadores de operaciones de precisión de deriva cero puede ser más de dos órdenes de magnitud inferior. (Fuente de la imagen: ON Semiconductor)

Los campos de operación de la deriva cero

Con su rendimiento mejorado, los diseñadores pueden cumplir los requisitos de acondicionamiento de la señal de las aplicaciones industriales utilizando amplificadores operativos de deriva cero. Dos ejemplos de op-amps de deriva cero que ofrecen diferentes niveles de rendimiento son los NCS325SN2T1G y el NCS333ASN2T1G de ON Semiconductor. Los diseñadores pueden utilizar el dispositivo NCS325SN2T1G para aplicaciones de precisión que pueden beneficiarse de una desviación de 50 microvoltios (µV) y una deriva de 0.25 µV/°C, mientras que la familia NCS333ASN2T1G es adecuada para las aplicaciones de alta precisión más exigentes, ya que ofrece una desviación de 10 µV y una deriva de sólo 0.07 µV/°C. Estos dos operacionales logran una deriva cero usando diferentes arquitecturas internas.

El NCS333ASN2T1G utiliza una arquitectura estabilizada por un helicóptero, lo que proporciona la ventaja de minimizar la deriva del voltaje de compensación sobre la temperatura y el tiempo (Figura 4). A diferencia de la arquitectura clásica de los helicópteros, la arquitectura estabilizada por los helicópteros tiene dos rutas de señales.

Figura 4: El NCS333ASN2T1G tiene dos caminos de señales: el segundo camino (abajo) muestrea el voltaje de offset de entrada, que se usa para corregir el offset en la salida. (Fuente de la imagen: ON Semiconductor)

En la figura 4, la ruta de señal inferior es donde el chopper muestrea el voltaje de compensación de entrada, que luego se utiliza para corregir la compensación en la salida. La corrección del desfase se produce a una frecuencia de 125 kilohercios (kHz). La arquitectura estabilizada por el helicóptero está optimizada para obtener el mejor rendimiento en frecuencias hasta la frecuencia de Nyquist relacionada (1/2 de la frecuencia de corrección de offset). Como la frecuencia de la señal excede la frecuencia de Nyquist, 62.5 kHz, puede producirse un "aliasing" en la salida. Esta es una limitación inherente a todas las arquitecturas estabilizadas por helicópteros y helicópteros.

Sin embargo, el op-amp NCS333ASN2T1G tiene un mínimo de aliasing hasta 125 kHz y un bajo aliasing hasta 190 kHz. El enfoque patentado de ON Semiconductor utiliza dos filtros de muesca de resistencia-capacitador (RC) simétricos y en cascada, sintonizados a la frecuencia de corte y su quinto armónico para reducir los efectos de aliasing.

Arquitectura de auto-cero

Otra aproximación a los op-amps de deriva cero es la arquitectura de auto-cero (Figura 5). El diseño de auto-cero tiene un amplificador principal y un amplificador anulador. También utiliza un sistema de relojes. En la primera fase, los condensadores conmutados mantienen el error de desplazamiento de la fase anterior en la salida del amplificador anulador. En la segunda fase, el desplazamiento de la salida del amplificador anulador se utiliza para corregir el desplazamiento del amplificador principal. El NCS325SN2T1G de ON Semiconductor está construido usando la arquitectura de auto-cero.

Figura 5: Diagrama de bloques simplificado de un op-amp auto-cero como el NCS325SN2T1G que muestra los capacitores conmutados. (Fuente de la imagen: ON Semiconductor)

Además de las diferencias entre el NCS333ASN2T1G (arquitectura estabilizada por helicóptero) y el NCS325SN2T1G (arquitectura autocero) en cuanto a la tensión de offset y la deriva descritas anteriormente, las diferentes arquitecturas producen diferencias en la ganancia de tensión en lazo abierto, el rendimiento de ruido y la susceptibilidad de aliasing. El NCS333ASN2T1G tiene una ganancia de voltaje de lazo abierto de 145 decibeles (dB), mientras que el NCS325SN2T1G tiene una ganancia de voltaje de lazo abierto de 114 dB. Considerando el ruido, el NCS333ASN2T1G tiene una CMRR de 111 dB y una PSRR de 130 dB, mientras que el NCS325SN2T1G tiene una CMRR de 108 dB y una PSRR de 107 dB. Ambos tienen muy buenas calificaciones, pero el NCS333ASN2T1G supera al NCS325SN2T1G.

Los amplificadores ópticos de la serie NCS333ASN2T1G también tienen un mínimo de alias. Esto se debe al enfoque patentado de ON Semiconductor que utiliza dos filtros de hendidura RC simétricos en cascada, sintonizados a la frecuencia de corte y su quinto armónico para reducir los efectos de aliasing. En teoría, una arquitectura auto-cero exhibirá un aliasing más dramático que un tipo estabilizado por un helicóptero. Pero los efectos de los alias pueden variar ampliamente y no siempre se especifican. Depende del diseñador entender las características de alias del amplificador específico que se utiliza. El aliasing no es un defecto de los amplificadores de muestreo, es un comportamiento. El conocimiento de este comportamiento y cómo evitarlo puede hacer que los amplificadores de deriva cero funcionen al máximo.

Por último, los amplificadores de operación tienen cantidades variables de susceptibilidad a la IEM. Las uniones de semiconductores pueden recoger y rectificar las señales EMI, creando un offset de tensión inducida por EMI en la salida, añadiendo otro componente al error total. Los pines de entrada son los más sensibles a la IEM. El op-amp NCS333ASN2T1G de alta precisión integra filtros de paso bajo para disminuir la sensibilidad a la EMI.

Consideraciones de diseño y disposición

Para garantizar un rendimiento óptimo de los amplificadores ópticos, es obligatorio que los diseñadores sigan las buenas prácticas de diseño de los tableros de ordenador. Los op-amps de alta precisión son dispositivos sensibles. Por ejemplo, es importante colocar condensadores de desacoplamiento de 0.1 microfaradios (µF) lo más cerca posible de las clavijas de alimentación. Además, al hacer una conexión de derivación, los trazos de la placa de circuito deben ser de igual longitud, de igual dimensión y tan cortos como sea posible. El amplificador óptico y la resistencia de derivación deben estar en el mismo lado del tablero, y para las aplicaciones que requieran el más alto nivel de precisión, deben utilizarse derivaciones de cuatro terminales, también llamadas derivaciones Kelvin. Estas técnicas combinadas reducirán la susceptibilidad a la EMI.

Siga siempre las recomendaciones del fabricante de la derivación para conectarse a ella. Una conexión incorrecta añadirá un cable extraviado no deseado y detectará la resistencia a la medición y aumentará el error (Figura 6).

Figura 6: Conexión a un resistor de derivación de dos terminales que representa las resistencias de dispersión (R_Lead y R_Sense). (Fuente de la imagen: ON Semiconductor)

La precisión puede verse afectada por las variaciones de voltaje de compensación dependientes de la temperatura en los pines de entrada. Para reducir al mínimo estas variaciones, los diseñadores deben utilizar metales con bajos coeficientes termoeléctricos y evitar los gradientes de temperatura de las fuentes de calor o los ventiladores de refrigeración.

Conclusión:

La necesidad de un acondicionamiento de señal preciso y exacto está creciendo en toda una gama de aplicaciones industriales. Acompañando a este crecimiento está la necesidad de soluciones compactas de baja potencia. Los amplificadores ópticos son componentes críticos en el acondicionamiento de la señal, pero los diseñadores han tenido que añadir la autocalibración y otros mecanismos para asegurar la estabilidad a través del tiempo y la temperatura, añadiendo complejidad, costo y consumo de energía adicional.

Afortunadamente, los diseñadores pueden recurrir a op-amps de alto rendimiento de deriva cero con autocalibración continua, voltajes de compensación muy bajos y deriva casi cero en el tiempo y la temperatura. Además, tienen un bajo consumo de energía en un amplio rango dinámico, son compactos y presentan altas CMRR, altas PSRR y alta ganancia en lazo abierto, todas ellas características clave para las aplicaciones industriales.

Lecturas recomendadas

1. Aplicando sensores y algoritmos avanzados para el rastreo de movimiento de bajo costo