AMPLIFICATORI OPERAZIONALI DI PRECISIONE: UNO SGUARDO ...

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AMPLIFICATORI OPERAZIONALI
DI PRECISIONE:
UNO SGUARDO IN PROFONDITÀ
Roland Dorn
Key market segments
and business development engineer
National Semiconductor
Un’analisi dei parametri da prendere
in considerazione nella scelta di un amplificatore
operazionale di precisione
In origine gli amplificatori di precisione
sono stati ideati per soddisfare le
esigenze dei costruttori di apparecchiature
di misura e collaudo. Al giorno
d’oggi questi elementi hanno ampliato il
loro raggio di azione e vengono utilizzati
in numerose altre applicazioni nei settori
automobilistico e industriale, dove sono
preposti, ad esempio, al monitoraggio
della miriade di sensori presenti a bordo
delle moderne automobili o disseminati
negli impianti manifatturieri, senza di -
menticare il loro crescente impiego in
altri comparti come quello consumer e
medicale.
Le caratteristiche chiave
Quando si parla di amplificatori di precisione,
è in primo luogo necessario dare
una definizione di precisione. Di fatto
esistono due definizioni:
- definizione formale: gli amplificatori di
precisione sono dispositivi caratterizzati
da una tensione di offset massima inferiore
a 1 mV OT;
- definizione effettiva: gli amplificatori di
precisione sono dispositivi caratterizzati
da una tensione di offset massima inferiore
a 0,5 mV OT, valore che sta progressivamente
scendendo al di sotto dei
0,2 mV OT.
Una bassa tensione di offset è infatti indispensabile
per cercare di ricreare un
segnale con un elevato livello di accuratezza
- specialmente nel caso di piccoli
segnali.
Oltre a ciò, per garantire la miglior precisione
possibile è necessario che un
amplificatore sia in grado di soddisfare
le seguenti condizioni:
- elevato valore del rapporto di reiezione
di modo comune (CMRR > 110 dB);
- elevato valore del rapporto di reiezione
nei confronti delle variazioni della tensione
di alimentazione (PSRR);
- basso valore della corrente di polarizzazione
(Ibias < 1 pA);
- elevato valore del guadagno ad anello
aperto (Avol > 110 dB);
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- ridotto valore della componente 1/f del
rumore;
- bassa deriva della tensione di offset di
ingresso (TCVos);
- elevato valore del prodotto guadagnoampiezza
di banda (GBW);
- basso valore del rumore di tensione in
ingresso.
Amplificatori
a deriva nulla
Un recente esempio di componenti che
integrano tutte le caratteristiche
appena sopra menzionate è rappresentato
dagli amplificatori operazionali
a deriva nulla (zero-drif)
LMP2021/22 di National Semicon -
ductor. Gli amplificatori di precisione
LMP2021 (singolo) e LMP2022
(doppio) fanno ricorso a un’avanzata
tecnologia di correzione continua
per azzerare l’errore di offset di
ingresso e rimuovere completamente la
componente 1/f del rumore.
La continuità della correzione consente
di ottenere una precisione elevata al trascorre
del tempo e al variare della temperatura,
con una elevata reiezione di
modo comune (CMRR), e una altrettanto
elevata reiezione nei confronti delle
variazioni della tensione di alimentazione
(PSRR).
Ad esempio, partendo dal fatto che i
segnali di ampiezza ridotta vengono
amplificati impiegando guadagni più
elevati, il rumore di ingresso dell’amplificatore
operazionale decresce da un
valore tipico di 15nV/√Hz a un guadagno
di 100V/V, a un valore di soli
11nV/√Hz per un guadagno di
1000V/V.
Questo parametro chiave è del 50%
migliore rispetto a quanto disponibile
finora sul mercato. Inoltre, questi operazionali
rimuovono anche l’errore di tensione
dovuto alla componente 1/f nelle
applicazioni a bassa frequenza.
LMP2021/22 sono dotati di un filtro
integrato per la soppressione delle interferenze
elettromagnetiche e vanno ad
aggiungersi ai dispositivi della famiglia
di amplificatori operazionali EMI-hardened
(resistenti alle interferenze EMI) di
cui fanno parte LMV83x, LMV85x e
LMV86x. Il rapporto di reiezione alle
interferenze EMI (EMIRR) di 79 dB
consente di ridurre le interferenze a
radiofrequenza imputabili a sorgenti
esterne.
Questi amplificatori presentano una
deriva della tensione di offset di ingresso
(TCVos) di soli 0,004 uV per grado
centigrado e un offset tipico di soli 0,4
uV. Entrambi i dispositivi operano con
una tensione di alimentazione compresa
tra 2,2 V e 5,5 V, e sono caratterizzati da
un prodotto guadagno banda (GBW) di
5 MHz consumando solo una corrente
di 1,1 mA per canale. Guadagno ad anello
aperto (AVOL) di 160 dB, CMRR
superiore a 139 dB, PSRR di 130 dB
sono le altre caratteristiche di rilievo.
Operanti in un campo di temperatura
compreso tra -40 °C e a +125 °C, i dispositivi
sono forniti in package SOT23 a 5-
pin e SOIC a 8-pin (LMP2021) e SOIC e
MSOP a 8 pin (LMP2022).
Un esempio concreto
Di seguito viene riportato un esempio di
soluzione per il condizionamento di
segnali provenienti da un sensore di
pressione. I sensori, trasduttori e trasmettitori
di pressione sono preposti
Tabella 1 – Con LM7705 è possibile ottenere un’uscita a tensione nulla
Vsupply = 5V; Vout alta Vout bassa Range di ingresso Salti
RL = 10 KW nell’ADC a 24 bit di codice
LMP2021/22 4,917 0,063 Da 0,063 a 4,917 264
LMP2021/22 c 4,917 0 Da 0,00 a 4,917 Zero
on LM7705
Fig. 1 – Amplificatore per strumentazione
utilizzato in un’applicazione di
interfacciamento con un sensore di
pressione
alla misura della pressione di gas e fluidi.
Le soluzioni per il condizionamento
dei segnali di National Semicondutor
sono ampiamente utilizzate in applicazioni
di monitoraggio e controllo come
componenti di sistemi per la misura di
pressione barometrica, di flusso, di livello
e via dicendo.
Le variazioni nella tensione di alimentazione
non possono essere separate dalla
forza (espressa come tensione) che
deve essere misurata. Le uscite
a fondo scala di parecchi
sensori a ponte sono dell’ordine
di 10 mV (e anche inferiori),
ragion per cui è necessario
disporre di un buffer realizzato
con un amplificatore
operazionale stabile al variare
del tempo e della temperatura.
Per soddisfare le specifiche
impostazioni del guadagno
di un sensore a ponte sono spesso
utilizzati amplificatori per strumentazione
di tipo discreto. I convertitori A/D
adoperati in parecchi sensori a ponte
possono avere una tensione di riferi-
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mento di 1,8, 2,5, 3 V (come pure altri
valori di tensione): di conseguenza
l’impostazione del guadagno di un
amplificatore per strumentazione non è
necessariamente fissa.
Gli amplificatori visibili in figura 1
costituiscono un amplificatore per strumentazione
di precisione capace di graduare
in modo accurato il segnale per
un’ampia gamma di segnali e intervalli
di temperatura.
Criteri di scelta
La scelta di un amplificatore dipende in
larga misura dal tipo di applicazione e
da parametri quali l’intervallo di tensione
dello stadio di ingresso dell’amplificatore
operazionale, il massimo valore
della corrente di polarizzazione di
ingresso che l’applicazione può supportare,
il range di frequenza del segnale e
l’intervallo di deriva dell’offset al variare
della temperatura e la deriva in funzione
del tempo. L’esempio riportato
nella figura 1 si riferisce all’interfaccia
di un sensore a ponte. In un’appli -
cazione di questo tipo è necessario
avere un amplificatore operazionale a
bassa deriva e tensione di rumore per
garantire un’accurata amplificazione
del segnale. Un componente come
LMP2021, in grado di effettuare automaticamente
errori quali deriva dell’offset
e del guadagno è particolarmente
indicato per un’applicazione di
questo tipo. LMP2021 è classificato
come un componente di livello 2 (si
veda il riquadro “La misura della precisione”).
In passato si era fatto ricorso a
componenti che non disponevano di
funzioni di correzione o di taratura
interni, come ad esempio amplificatori
di tipo general purpose, amplificatori a
basso rumore e amplificatori a bassa
deriva. Nei circuiti che utilizzano questi
componenti il controllo del guadagno
e dell’offset deve essere ottenuto
mediante componenti esterni, come
resistori e potenziometri di taratura. La
disponibilità di funzioni di taratura
all’interno dell’integrato consente di
La misura
della precisione
In un numero crescente di applicazioni sono necessarie
un rilevamento e una misura sempre più accurate. La
precisione non è necessaria solamente nella fase iniziale
ma anche in funzione del tempo e delle variazioni di
temperatura. Requisiti di questo tipo sono necessari per
soddisfare le esigenze, in termini di prestazione/efficienza,
dei moderni sistemi. L’ammontare dell’errore
considerato accettabile, ovviamente, diminuisce al
procedere dell’evoluzione tecnologica. L’obiettivo principale
è progettare sistemi capaci di restare precisi per
lungo tempo all’interno di un intervallo di temperatura
estesa. La calibrazione non è un’operazione semplice e
può risultare onerosa in termini di tempi e costi. Inoltre,
può risultare inefficace ai fini dell’ottenimento della
precisione desiderata.
Si consideri, per esempio, l’amplificazione di segnali di
ampiezza dell’ordine dei millivolt. La scelta più naturale
sarebbe quello di amplificare questo segnale di un fattore
mille prima di convertirlo in digitale. Questa banale
operazione non sarebbe possibile utilizzando operazionali
con offset nell’ordine dei millivolt perché ciò
porterebbe inevitabilmente il segnale fuori dalla dinamica
di ingresso del convertitore. In questo caso, una calibrazione
nel dominio digitale si rileverebbe assolutamente
inefficace.
Stabilito quindi che quando si vuole un’amplificazione di
notevole entità è indispensabile il ricorso a un componente
a basso offset, il secondo parametro da prendere
in considerazione é la sua deriva in temperatura (TcVos).
É evidente che se variazioni di temperatura di pochi
gradi possono variare l’offset del dispositivo in maniera
percentualmente significativa, la calibrazione della
catena di acquisizione si rivela un’operazione inutile,
a meno di non ripetere l’operazione prima di ogni
acquisizione.
Infine, ma non ultimo per importanza, va considerato il
rumore. Poter disporre di un componente a basso rumore
conferisce credibilità alla misura effettuata.
Purtroppo molti componenti disponibili in commercio
sono affetti da rumore 1/f. Si tratta di una caratteristica
intrinseca dei dispositivi CMOS che li rende più rumorosi
in bassa frequenza, proprio dove si vuole avere una
precisione maggiore. Di fronte a misure rumorose (ovvero
inaffidabili) la calibrazione si rivela inutile.
Con un offset nel range dei μV, un TcVos nell’ordine dei
nV e la totale assenza di rumore 1/f gli amplificatori
LMP2021/2 sono in grado di risolvere tutti i problemi
appena esposti.
National Semiconductor ha definito diversi livelli di precisione
(da 1 a 4) per i sistemi di rilevamento (si faccia
riferimento alla Tab. 1). I prodotti classificati a livello 2
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ottenere un livello di accuratezza maggiore.
Il massimo valore della corrente di
polarizzazione di ingresso che
l’applicazione è in grado di supportare
è un altro parametro di fondamentale
importanza.
Nell’esempio preso in considerazione
gli ingressi CMOS di LMP2021 assicurano
bassi valori di Ibias. Nelle applicazioni
caratterizzate da elevati valori di
resistenza in serie nel sensore è possibile
utilizzare LMP2021 senza “caricare”
il sensore. Ad esempio la caduta di
tensione ai capi di un’impedenza del
sensore del valore di 100 MOhm provocata
da Ibias di LMP2021 (pari a 3
pA) sarà di soli 30 mV. Le interferenze
EMI rappresentano un problema di
sempre maggiore importanza nelle
applicazioni di precisione.
Potenzialmente un segnale RF introdotto
in una cella di carico può dare
luogo a un offset di uscita fino a 1 V,
che potrebbe portare a una diminuzione
dell’ENOB del convertitore A/D in
assenza di azioni di filtraggio.
Inoltre è possibile ottimizzare il range
dinamico del convertitore A/D in presenza
di una singola alimentazione. Per
ragioni di costo, infatti, parecchi sistemi
utilizzano una sola alimentazione. Il
generatore di polarizzazione negativa
di precisione LM7705 di National
Semiconductor usato in combinazione
con gli amplificatori assicura un’o -
scillazione a tensione nulla sul terminale
negativo in modo da garantire
un’uscita effettivamente di tipo rail-torail.
LM7705 è in grado di generare una
tensione di uscita di -0,230 V.
Di conseguenza, risulta possibile ottenere
un’uscita a tensione nulla collegando
l’uscita di LM7705 a massa o al
pin di alimentazione V- dell’operazionale.
In un sistema a 5 V, l’uscita di
LMP2021722 è in grado di oscillare da
massa fino a 4,917 V (Tab. 1).
www.national.com
Blocco base
Sistema
Taratura Livello 1 Livello 3
Blocchi base precisi
Blocchi base con interfacce di taratura
perché tarati in fabbrica.
che garantiscono una regolazione
La precisione è conservata precisa del guadagno e dell’offset.
nel corso del ciclo di vita
L’applicazione può essere tarata e le imprecisioni
al variare della tensione
del sensore compensate mediante
e della temperatura.
la calibrazione a livello di sistema.
Cancellazione Livello 2 Livello 4
dinamica Blocchi base Sistemi con cancellazione
dell’errore con cancellazione dinamica dell’errore.
dinamica dell’errore.
Sistemi che si auto-correggono
Op-amp, amplificatori
in presenza di derive.
a guadagno fisso
Le prestazioni del sistema non sono
e programmabile con funzioni penalizzati da fenomeni di deriva
di auto-zero o stabilizzati
del sensore e ciò richiede una funzione
mediante chopper.
di “retroazione attorno al sensore”
e a livello 4 sono corretti su base continuativa per determinati
errori e saranno in grado di effettuare la correzione
automatica per quanto concerne la deriva nel
corso della loro vita. Più precisamente i prodotti di livello
2 effettuano la correzione solo relativamente agli
errori all’interno dei circuiti elettronici.
Il livello 1 si riferisce a blocchi base tarati in fabbrica
(quindi precisi per costruzione), mentre il livello 2 si
riferisce a blocchi base con cancellazione dell’errore
dinamico. Il livello 3 è relativo a blocchi base con interfacce
apposite per la taratura che consentono una regolazione
precisa del guadagno o dell’offset, mentre il
livello 4 si riferisce a sistemi con cancellazione dell’errore
dinamico. La calibrazione del guadagno e dell’offset
dinamico richiede la capacità di forzare il segnale di
ingresso del sensore a zero e a uno o più livelli di riferimento.
Ciò è possibile solo in alcune applicazioni, per
cui il livello 4 risulta molto difficile da conseguire.
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