Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Arrow Multisolution Day
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Precyzyjne układy analogowe z nano-zasilaniem, część 1

ghost666 28 Cze 2018 20:42 1230 4
  • Wymaganie coraz większej dokładności i szybkości od wzmacniaczy operacyjnych ma bezpośrednie przełożenie na to, ile zużywa on mocy. Zmniejszanie zużycia prądu zmniejsza pasmo układu, a z kolei zmniejszanie offsetu wejściowego zmniejsza pobór prądu.

    Wiele tego rodzaju zależności w op-ampie sprawia, że nietrywialnym jest zrozumienie w jaki sposób zużycie prądu przez ten element wiąże się z innymi jego aplikacjami. W aplikacjach konsumenckich, takich jak systemy bezprzewodowe, urządzenia Internetu Rzeczy czy automatyka budynkowa, cały czas dąży się do minimalizacji pobieranej mocy, a jednocześnie konieczne jest zachowanie pewnych parametrów.

    W tym dwuczęściowym cyklu przyjrzymy się zależnościom pomiędzy poborem prądu przez układ, a poszczególnymi parametrami elektrycznymi, tak aby możliwe było zrozumienie tych zależności a w konsekwencji dobranie optymalnych warunków pracy układu, co umożliwi zminimalizowanie poboru mocy przez system.

    Wzmocnienie stałoprądowe

    W pierwszej części artykułu skupimy się na wzmocnieniu stałoprądowym układu. Jak z pewnością wiemy, op-amp może pracować, między innymi, w jednej z dwóch konfiguracji: jako wzmacniacz odwracający (pokazany na rysunku 1) lub wzmacniacz nieodwracający (pokazany na rysunku 2).

    Precyzyjne układy analogowe z nano-zasilaniem, część 1
    Rys.1. Schemat wzmacniacza operacyjnego skonfigurowanego jako wzmacniacz odwracający.

    Precyzyjne układy analogowe z nano-zasilaniem, część 1
    Rys.2. Schemat wzmacniacza operacyjnego skonfigurowanego jako wzmacniacz nieodwracający.


    W zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego układy te mają wzmocnienie opisane, odpowiednio, równaniem pierwszym lub drugim:

    $$A_{CL} = - \frac {R_F} {R_2} = - \frac {V{OUT}} {V_{IN}}$$ (1)

    $$A_{CL} = 1 + \frac {R_F} {R_2} = \frac {V{OUT}} {V_{IN}}$$ (2)

    gdzie Acl to wzmocnienie w zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego, RF to wartość rezystancji opornika w pętli sprzężenia zwrotnego, a R2 to rezystancja opornika na wejściu odwracającym, dołączonego do sygnału (wzmacniacz odwracający) lub masy (wzmacniacz nieodwracający).

    Równania te przypominają nam jasno, że wzmocnienie zależne jest od stosunku tych dwóch oporów, a nie od ich wartości bezwzględnej. Dodatkowo, wiemy że moc rozpraszana na danym oporniku jest iloczynem napięcia na nim i prądu przezeń płynącego, jak pokazano na równaniu 3:





    $$P = V \times I$$ (3)

    gdzie P to moc, V to napięcie a I to prąd.

    Jeśli zależy nam na minimalizacji strat, to - jak wynika z powyższego równania - konieczne jest zmniejszenie prądu płynącego przez opornik. Równanie czwarte opisuje doskonale znaną nam zależność:

    $$V = I \times R$$ (4)

    gdzie R, to rezystancja opornika.

    Patrząc na powyższe równania widzimy od razu, że musimy wybrać oporniki o dużej rezystancji, co pozwoli na zminimalizowanie ich mocy i w konsekwencji zmniejszy moc całego układu. Jeśli zaniedbamy optymalizację tych wartości, to nasz układ - nawet pomimo zastosowania superoszczędnych op-ampów - będzie pobierał sporą moc.

    Po określeniu wartości tych dwóch oporników na takim poziomie, jaki zadowoli nas, jeśli chodzi o pobór prądu, musimy też przyjrzeć się innym parametrom, jakie mają wpływ na jakość pracy układu. Sumujące się niewielkie systematyczne błędu, wynikające z odchyłek układu od ideowego elementu, wpłyną na powstanie pewnego offsetu napięciowego na wejściu op-ampa (VOS). Konieczne jest oszacowanie poziomu tego offsetu - na jego wpływ ma wiele czynników: błąd wzmocnienia, szum napięciowy, poziom tłumienia sygnału współbieżnego (CMRR), poziom odrzucenia wpływu zasilania (PSRR) i dryft - termiczny i czasowy.

    Powyższe zagadnienia to temat zbyt szeroki, by omówić go w tym artykule. Przyjrzymy się jedynie wpływowi dryftu układu na VOS i jego wpływu na działanie układów z nanozasilaniem.

    W rzeczywistych układach VOS to napięcie, które pojawia się pomiędzy pinami wejściowymi wzmacniacza operacyjnego. Może być ono poważnym problemem dla pomiarów sygnałów wolnozmiennych, bliskich napięciu stałemu. W konfiguracji wzmacniacza napięciowego, VOS będzie wzmacniane tak samo, jak wzmacniany jest sygnał użyteczny, co spowoduje powstanie błędów pomiarowych. Dodatkowo, z uwagi na dryft, VOS może zmieniać się tak w czasie, jak i temperaturze. Dlatego też, w aplikacjach, gdzie mierzony sygnał ma bardzo niską częstotliwość należy wybrać op-amp o niewielkim offsecie (VOS < 1 mV) i bardzo niskim dryfcie.

    Równanie 5, poniżej, pozwala na obliczenie VOS dla całego zakresu temperatur - maksymalnego offsetu dla danego układu w zadanych warunkach.

    $$|V_{OS_{maxtemp}}| = |V+{OS25 °C}| + |TCV_{OS_{max}}| \times zakres temperatur pracy$$ (5)

    Teraz, gdy zaznajomiliśmy się z teorią, wykorzystajmy ją w realnym przykładzie. W tym przypadku rozważmy układ z komórką elektrochemiczną do pomiaru zawartości tlenu w powietrzu. Układ taki pokazany jest na rysunku 3. Komórka elektrochemiczna ma dwa wyprowadzenia, a jej częstotliwość pracy jest dosyć niska. Dlatego też możemy skorzystać z op-ampa o niewielkim pasmie, niskim offsecie i niewielkim poborze mocy. Tego rodzaju komórki często stosowane są nie tylko do pomiaru zawartości gazów, ale także np. do pomiaru poziomu glukozy we krwi itp.

    Sensory tlenu, takie jak pokazany na rysunku 3 są tutaj szczególnie narażone na problemy - dla maksymalnej zawartości tlenu w atmosferze, ich napięcie wyjściowe wynosi około 10 mV (taki spadek napięcia notujemy na oporniku RLoad, jaki zaleca producent). Zakładamy, że dla tego poziomu tlenu na wyjściu op-ampa chcemy mieć 1 V. Oznacza to ACL = 100 V/V, czyli RF musi być ok. 100 razy większy niż R2. Jeśli wybierzemy wartości 100 MΩ i 1 MΩ to dokładne wzmocnienie równe będzie 101, a prąd płynący przez oporniki bardzo niski, co przełoży się na niewielki pobór mocy przez układ.


    Precyzyjne układy analogowe z nano-zasilaniem, część 1
    Rys.3. Układ z komórką elektrochemiczną do pomiaru stężenia tlenu.


    Jeśli chcemy zminimalizować napięcie offsetu na wejściu, zastosować musimy odpowiedni wzmacniacz operacyjny. Dla każdego z nich obliczyć możemy napięcie offsetu, korzystając z równania 5.

    Pierwszym wybranym elementem jest LPV821 - bezdryftowy ultraenergooszczędny wzmacniacz operacyjny. Załóżmy zakres temperatur od 0°C do 100°C i obliczmy jaki maksymalny offset zaobserwujemy na wejściu układu:

    $$V_{OS} = |10 \mu V| + |0,08 \frac {\mu V} {° C} | \times 100 ° C = |18 \mu V|$$

    Innym dobrym do tego zastosowania jest precyzyjny ultraenergooszczędny op-amp LPV811. Analogicznie jak powyżej wyznaczamy maksymalne VOS:

    $$V_{OS} = |370 \mu V| + |1 \frac {\mu V} {°C} | \times 100 °C = |470 \mu V|$$

    (warto zwrócić uwagę, że karta katalogowa LPV811 nie specyfikuje maksymalnej granicy dryftu offsetu napięciowego, więc wykorzystaliśmy do obliczeń wartość podaną jako typową).

    Z kolei jeśli skorzystamy z zwykłego, energooszczędnego wzmacniacza, to wartość ta wyniesie:

    $$V_{OS} = |3,1 mV| + |0,8 \frac {\mu V} {° C} | \times 100 ° C = |3,18 mV|$$

    (Dla TLV8541 producent także nie specyfikuje wartości maksymalnej dryftu, więc wykorzustujemy wartość typową).

    Jak widać w naszym wypadku najlepszym wyborem będzie LPV821. Dzięki niskiemu poborowi mocy - 650 nA - układ ten doskonale sprawdzi się nawet w systemie zasilanym z baterii, a dzięki niskiemu offsetowi zmierzyć może napięcia do 18 µV.

    Źródło: https://e2e.ti.com/blogs_/b/analogwire/archive/2017/12/06/how-to-make-precision-measurements-on-a-nanopower-budget


    Fajne!
  • Arrow Multisolution Day
  • #2 29 Cze 2018 08:14
    michaelknight
    Poziom 9  

    Warto jednak zaznaczyć, że układ z rysunku 3 będzie bardzo niestabilny. Pojawią się tam problemy ze wzmacnianiem szumu i inne ciekawe zjawiska. Uzyskanie sensownej precyzji wzmocnienia napięciowego jest mało realne.

  • Arrow Multisolution Day
  • #3 29 Cze 2018 08:18
    ghost666
    Tłumacz Redaktor

    michaelknight napisał:
    Warto jednak zaznaczyć, że układ z rysunku 3 będzie bardzo niestabilny. Pojawią się tam problemy ze wzmacnianiem szumu i inne ciekawe zjawiska. Uzyskanie sensownej precyzji wzmocnienia napięciowego jest mało realne.


    Zasadniczo - to prawda, te układy będą szumiały z uwagi na brak ograniczenia pasma - bardzo słuszna uwaga. Jeśli nastawiamy się na pomiary sygnałów "blisko DC" to dobrze jest ograniczyć pasmo całego układu, wtedy szum szerokopasmowy wchodzi nam do układu z znacznie mniejszym współczynnikiem...

    Ale tutaj analizowaliśmy zasadniczo tylko część funkcji systemu i to w zasadzie w warunkach statycznych (DC).

  • #4 30 Cze 2018 08:12
    michaelknight
    Poziom 9  

    Miałem też na myśli to, że opornik 100M można w zasadzie zaliczyć do kategorii izolatorów. Rezystancja PCB będzie miała spory wpływ na to jak zachowa się układ, a jej współczynnik temperaturowy może mieć istotne znaczenie. Tak samo powietrze wokół nóżek układu będzie mieć zmienną przenikalność. Elektronika jest sztuką kompromisów.

  • #5 30 Cze 2018 11:07
    Janusz_kk
    Poziom 15  

    Dlatego w takich układach nie daje się oporników 100M, jezeli Rload ma 1M to drugiej gałęzi dajemy 1M i 1k do masy a ze wspólnego ich 100k do wyjscia, mamy takie T,
    wzmocnienie dalej mamy około 100 ale oporność sprzężenia 100 razy mniejszą.