Come scegliere e utilizzare in modo efficace gli amplificatori operazionali di precisione

Quando i progettisti sviluppano sistemi di condizionamento del segnale front-end, per ridurre costi, tempi, dimensioni e distinta base, alle soluzioni discrete preferiscono in genere i comuni circuiti altamente integrati di serie per l'acquisizione dati. In alcune applicazioni, però, come nel caso di sistemi di strumentazione, misurazione e prove ad alte prestazioni, l'amplificatore operazionale discreto che si interfaccia con un sensore specializzato diventa un componente front-end cruciale che richiede un'attenzione particolare.

L'amplificatore operazionale di precisione a funzione singola è un dispositivo specializzato con offset di tensione, deriva di offset e corrente di polarizzazione in ingresso estremamente bassi, in grado anche di bilanciare le prestazioni di larghezza di banda, rumore e dissipazione di potenza.

Pone però due ostacoli ai progettisti: come scegliere il dispositivo più idoneo per l'applicazione e come sfruttarne tutto il potenziale. Per superare il secondo ostacolo occorre comprendere il funzionamento del dispositivo e applicarlo correttamente, così da non annullare inavvertitamente alcune delle caratteristiche funzionali alla precisione.

Questo articolo descriverà il ruolo e le particolarità degli amplificatori operazionali di precisione e le relative considerazioni sulla progettazione. Partirà quindi da questi temi per mostrare come scegliere e utilizzare in modo efficace un amplificatore operazionale di precisione usando le soluzioni campione di Analog Devices.

Il ruolo degli amplificatori operazionali di precisione

L'attrattiva di un circuito integrato su larga scala con un amplificatore operazionale potenzialmente meno preciso è data dalla possibilità di garantire le prestazioni del canale del sensore semplicemente "escludendo" con la calibrazione le imperfezioni dell'amplificatore operazionale. Si tratta però di un'operazione che richiede molto tempo e, in più, è molto difficile calibrare accuratamente i sensori e i loro front-end di canale, specie una volta che un sistema è stato implementato. Per rendersene conto, è importante esaminare il ruolo degli amplificatori operazionali di precisione.

Gli amplificatori operazionali di precisione vengono utilizzati principalmente tra sensori come estensimetri, trasduttori piezoelettrici ad ultrasuoni e fotorilevatori per catturarne i segnali di uscita senza sovraccaricare la fragile uscita del trasduttore. Gli amplificatori operazionali trasmettono quindi in modo accurato quel segnale condizionato al resto della catena di segnali analogici che di solito si conclude con un convertitore analogico/digitale (ADC). Sono utilizzati anche nei filtri analogici in cui non distorcono né provocano l'offset c.c. del segnale di interesse.

In queste applicazioni, è indispensabile che le prestazioni dell'amplificatore operazionale siano lineari, ripetibili e stabili rispetto al tempo, alla temperatura e al rail di alimentazione. Inoltre, nella maggior parte dei casi deve essere a basso rumore (l'uscita del sensore o di altri segnali analogici di solito è piuttosto piccola), avere una risposta piatta lungo tutto lo spettro e variare rapidamente con una sovraelongazione e una sovraoscillazione minime. In molti casi l'applicazione è alimentata a batteria, quindi l'amplificatore operazionale deve consumare il meno possibile in modalità attiva e quiescente.

L'amplificatore operazionale di precisione a funzione singola è rappresentato schematicamente dal simbolo standard dell'amplificatore operazionale (Figura 1). Ma tale simbolo nasconde la complessità di un dispositivo discreto specializzato.

Figura 1: Il simbolo schematico per l'amplificatore operazionale di precisione è lo stesso dell'amplificatore operazionale standard. Non dà indicazioni sulla classe, le prestazioni o i parametri di questo cruciale dispositivo di elaborazione dei segnali front-end. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

I parametri delle prestazioni dell'amplificatore operazionale, che sono spesso fattori di secondo e terzo livello nelle applicazioni non di precisione, nel caso degli amplificatori operazionali di precisione balzano invece ai vertici. Rumore, solitamente specificato in microvolt (µV) o nanovolt (nV) per la radice quadrata degli hertz (√Hz), tensione di offset in ingresso e relativa deriva, corrente di polarizzazione in ingresso e relativa deriva - oltre ai soliti fattori di guadagno, larghezza di banda e velocità di variazione - assumono un'importanza fondamentale.

Sia la tensione di offset in ingresso che la corrente di polarizzazione in ingresso meritano un esame più approfondito:

Con tensione di offset in ingresso si intende la tensione in corrente c.c. che deve essere applicata tra i due terminali di ingresso di un amplificatore operazionale per annullare o azzerare l'uscita. Qualsiasi tensione di offset verrà amplificata dal guadagno dell'amplificatore operazionale e quindi contribuirà all'errore nell'uscita, a seconda dell'impostazione del guadagno.

La corrente di polarizzazione in ingresso è quella piccolissima corrente che attraversa le connessioni all'ingresso dell'amplificatore operazionale per polarizzarne correttamente i circuiti interni. Dato però che entrambe le correnti di polarizzazione in ingresso - sia quella invertente che quella non invertente - vogliono seguire lo stesso percorso, sia dentro che fuori dall'amplificatore operazionale, questa corrente potrebbe trovarsi senza un percorso di ritorno alla sorgente del sensore.

Un altro potenziale problema con le correnti di polarizzazione in ingresso è il fatto che possono causare una caduta di tensione indesiderata attraverso la resistenza del sensore collegato all'ingresso. Se questa resistenza è bassa (cosa che avviene spesso), l'offset risultante potrebbe essere trascurabile. Se invece è molto elevata, come nel caso ad esempio dell'elettrodo di una sonda di pH con una resistenza dell'ordine di megaohm, il problema può essere rilevante.

Per questi e altri parametri dell'amplificatore operazionale, anche la deriva indotta dalla temperatura nei loro valori rappresenta un problema. I cambiamenti dovuti alla deriva sono difficili da correggere. Gli errori alla temperatura nominale possono però essere compensati tramite trim hardware manuali, anche se al prezzo di ulteriori costi e tempi o correzioni software.

Inoltre, le prestazioni di un amplificatore operazionale possono cambiare a causa dell'invecchiamento e della temperatura, ma prevedere quanto potrà incidere l'invecchiamento è impossibile. È vero che molte schede tecniche degli amplificatori operazionali di precisione contengono specifiche di invecchiamento per i parametri chiave, ma l'invecchiamento è un processo casuale e quindi può essere caratterizzato solo da valori probabili, non certi.

A prescindere dallo scenario, misurare in modo affidabile le tensioni di offset in ingresso e le correnti di polarizzazione di questi dispositivi di precisione è piuttosto difficile e anche l'implementazione di schemi di compensazione utili ed efficaci è problematica. È preferibile prendere in considerazione solo un prodotto con una scheda tecnica completa anche di tabelle e grafici che caratterizzano e definiscono tutti gli aspetti rilevanti delle prestazioni e forniscono informazioni sull'applicazione.

Ottenere ciò che serve da un amplificatore operazionale di precisione

Ogni implementazione di un amplificatore operazionale rappresenta un compromesso tra i vari aspetti di progettazione, processo, trim e test di un dispositivo reale. Nel caso degli amplificatori operazionali di precisione, date le piccolissime differenze rispetto ai dispositivi standard, il progettista deve determinare i parametri e i valori prioritari e assegnare a ognuno di essi una ponderazione relativa.

Prendiamo in esame due famiglie di amplificatori operazionali di Analog Devices: ADA4805-1 a un canale e ADA4805-2 e ADA4896-2 a due canali.

Nonostante le funzioni di base simili, presentano delle differenze importanti, come mostrato dai punti in evidenza delle specifiche (Tabella 1). Se la priorità di progettazione è un rumore di tensione inferiore, ADA4896 sembra la scelta migliore, ma presenta un rumore di corrente e una tensione di offset in ingresso superiori rispetto alla famiglia ADA4805. Tra le due famiglie esistono ovviamente molti altri compromessi che riguardano l'alimentazione, la tensione di modo comune e non solo.

Tabella 1: Le famiglie di amplificatori operazionali di precisione ADA4805 e ADA4896 hanno delle differenze importanti in termini di parametri di rumore di corrente e tensione di offset in ingresso, ma non solo. (Dati della tabella per gentile concessione di DigiKey)

Anche l'uscita è importante

Anche se le caratteristiche e le prestazioni di ingresso sono fattori significativi quando si valutano gli amplificatori operazionali di precisione, non se ne può ignorare l'uscita. Tra i fattori rilevanti qui ci sono la velocità di variazione e l'oscillazione dell'uscita. Ad esempio, i dispositivi ADA4805 hanno un circuito interno di miglioramento della variazione che ne aumenta la velocità con l'aumentare della tensione di errore di retroazione, consentendo una risposta e un assestamento più rapidi dell'amplificatore a ingressi con grandi gradini (Figura 2).

Figura 2: Risposta al gradino di ADA4805 per le dimensioni del gradino di uscita selezionate. ADA4805 ha un circuito interno di miglioramento della variazione che ne aumenta la velocità con l'aumentare della tensione di errore di retroazione, consentendo una risposta e un assestamento più rapidi dell'amplificatore a ingressi con grandi gradini. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Tenere presente che molti dei segnali dei sensori per i quali questi amplificatori operazionali forniscono il condizionamento non sono ingressi a gradini perché questi sensori sono spesso multiplati. Pertanto, l'amplificatore operazionale potrebbe vedere i cambiamenti di gradino quando il multiplatore (mux) cambia canali. L'impatto del miglioramento della variazione nei dispositivi ADA4805 può essere visto anche nella risposta in frequenza di segnali di ingresso grandi, dove quelli più grandi causano un leggero aumento del picco (Figura 3).

Figura 3: Il picco delle risposte in frequenza per ADA4805 dipende dal livello di segnale, indicato qui con un guadagno di +1. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Quando l'amplificatore ADA4805 viene spento, la sua uscita passa in uno stato di alta impedenza, che diminuisce con l'aumentare della frequenza. I dispositivi ADA4805 forniscono 62 dB di isolamento ingresso/uscita a 100 kHz in modalità di spegnimento (Figura 4).

Figura 4: L'isolamento ingresso/uscita/Off di ADA4805 dipende dalla frequenza e diminuisce con l'aumentare della frequenza. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Un amplificatore operazionale di precisione come ADA4805 può essere utilizzato per fornire la conversione dell'uscita intrinsecamente a terminazione singola di un sensore alla modalità differenziale preferita da molti ADC ad alte prestazioni. Si preferiscono questi segnali differenziali perché riducono il rumore e la distorsione armonica. Questo è un esempio di compromesso di un progetto classico: utilizzare un amplificatore differenziale o configurare due amplificatori fisici separati per eseguire la conversione da terminazione singola a differenziale. La prima opzione di solito offre prestazioni migliori ma a un costo superiore rispetto alla soluzione a due amplificatori.

La famiglia ADA4805 risolve questo problema combinando i vantaggi di entrambe. La distorsione armonica intrinsecamente bassa, la bassa tensione di offset e la bassa corrente di polarizzazione dei dispositivi fanno sì che possano produrre un'uscita differenziale idonea per le prestazioni degli ADC ad alta risoluzione e a un costo paragonabile alla soluzione con un singolo amplificatore differenziale.

Le cose si fanno un po' più complesse quando si tratta di pilotare carichi capacitivi. La capacità all'uscita di un amplificatore crea un ritardo (variazione di fase) all'interno del percorso di retroazione che può originare un ringing e un'oscillazione eccessivi se è all'interno della larghezza di banda dell'anello. Ad esempio, la risposta rispetto alla curva di guadagno di ADA4896-2 mostra che i picchi massimi si hanno con un guadagno di +2 (Figura 5).

Figura 5: La risposta in frequenza di piccoli segnali rispetto al guadagno di ADA4896-2 mostra come cambi con il guadagno (con R_L = 1 kΩ; quando G = +1, R_F = 0 Ω; altrimenti, R_F = 249 Ω). (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

La soluzione standard a questo picco indesiderato sta nell'aggiungere un resistore di "soppressione" di basso valore in serie con l'uscita dell'amplificatore e il suo carico capacitivo per ridurre al minimo il problema. Un piccolo soppressore da 100 Ω elimina completamente questo picco, ma porta a un compromesso perché il guadagno ad anello chiuso viene ridotto di 0,8 dB a causa dell'attenuazione in uscita. Il valore del resistore di soppressione può essere regolato tra 0 Ω e 100 Ω per offrire un livello accettabile di picco e guadagno ad anello chiuso (Figura 6).

Figura 6: L'utilizzo di un resistore di soppressione (R_SNUB) all'uscita riduce il picco per il caso peggiore della risposta in frequenza di ADA4896-2, mostrato con un guadagno di +2. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Usando un amplificatore con guadagno selezionabile, la catena di segnali può accogliere un'ampia gamma di possibili segnali di ingresso. In un tradizionale amplificatore a guadagno selezionabile, gli interruttori nell'anello di retroazione si collegano all'ingresso invertente. La piccola ma inevitabile resistenza di questi interruttori deteriora le prestazioni del rumore dell'amplificatore aggiungendo contemporaneamente una significativa capacità sul nodo di ingresso invertente. Entrambi questi effetti minano le prestazioni di basso rumore dell'amplificatore operazionale. Inoltre, le resistenze vanno ad aggiungersi all'errore di guadagno non lineare, compromettendo le prestazioni dell'amplificatore operazionale.

Per evitare questo deterioramento, i progettisti possono utilizzare una topologia di commutazione del guadagno programmabile che mantiene le prestazioni del rumore di ADA4896-2 a 1 nV/Hz, riducendo anche l'errore di guadagno non lineare (Figura 7). La scelta di interruttori con capacità minima ottimizza anche la larghezza di banda del circuito.

Figura 7: I due canali di ADA4896-2 e l'interruttore analogico ADG633 possono essere usati per realizzare un amplificatore di guadagno selezionabile, a basso rumore, con un errore di guadagno non lineare ridotto per pilotare un carico a bassa resistenza. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

La corrente di polarizzazione dell'amplificatore di ingresso, anche se molto bassa, può causare un offset all'uscita che varia a seconda dell'impostazione del guadagno. Tuttavia, dato che l'amplificatore di ingresso e gli stadi del buffer di uscita di ADA4896-2 fanno entrambi parte di un singolo dispositivo monolitico, le loro correnti di polarizzazione sono strettamente correlate. Questa caratteristica annulla in gran parte l'offset variabile.

Considerazioni sul layout e sull'incapsulamento

Un amplificatore operazionale di precisione non richiede solo la progettazione accurata del suo circuito, realizzato sulla base di un die di semiconduttore. Il modo in cui viene incapsulato e in cui il contenitore viene implementato influisce sulle prestazioni del dispositivo rispetto a quanto dichiarato nella scheda tecnica relativamente alle condizioni "perfette".

In modo analogo ai riferimenti di tensione di precisione, il contenitore dell'amplificatore operazionale è soggetto alle piccolissime sollecitazioni meccaniche dovute al piazzamento e al processo di saldatura iniziale, nonché alla normale flessione e vibrazione della scheda una volta installata. La sollecitazione che ne deriva può causare piccoli ma importanti cambiamenti nelle prestazioni del dispositivo. Questo è dovuto all'effetto piezoelettrico sul cristallo del die e ad altre caratteristiche del materiale.

Pertanto, è importante assicurarsi che la scheda sia sufficientemente rigida e, se necessario, aggiungere un supporto. Potrebbe anche essere necessario far eseguire cicli termici alla scheda prima di installarla, per alleviare le sollecitazioni latenti.

Come per molti circuiti analogici, specie quelli di precisione, layout e messa a terra sono considerazioni fondamentali per il successo del progetto. È indispensabile bypassare l'alimentatore utilizzando in parallelo condensatori di valore sia superiore che inferiore. Tipicamente, la coppia di bypass è costituita da un condensatore elettrolitico da 10 µF in parallelo con un condensatore ceramico da 0,1 µF. Il condensatore di valore più piccolo deve essere posizionato sullo stesso lato della scheda dell'amplificatore e il più vicino possibile ai suoi pin di alimentazione.

Dispositivi a canale singolo rispetto a quelli a doppio canale

La scelta tra le versioni a canale singolo e a doppio canale di un amplificatore operazionale di precisione comporta alcuni compromessi classici (Figura 8). Ad esempio, un dispositivo doppio ha un ingombro più piccolo per funzione, oltre a una riduzione dello spazio complessivo, dato che sono richiesti meno condensatori di bypass.

Figura 8: Piedinatura di ADA4805-1 in un contenitore SOT-23 a 6 conduttori (a sinistra); piedinatura di ADA4805-2 in un MSOP a 8 conduttori (a destra). (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Tuttavia, a seconda dello schema del circuito, l'utilizzo di un dispositivo doppio può richiedere l'esecuzione di tracce di segnale di ingresso di basso livello su lunghe distanze. Questo occuperà spazio, complicherà il progetto e aumenterà anche il rumore. Pertanto, la decisione di utilizzare due dispositivi a canale singolo rispetto a un unico dispositivo a doppio canale deve essere valutata in termini di prossimità delle rispettive funzioni dell'amplificatore, circuito integrato aggregato e relativo ingombro del dispositivo passivo e prestazioni elettriche; non solo pensando alla semplificazione della distinta base.

Regole di messa a terra poco intuitive per amplificatori operazionali di precisione

Le regole di base per gli amplificatori operazionali di precisione vanno per certi versi contro ciò che i progettisti del layout di una scheda spesso presumono, ovvero, che sia preferibile avere più aree di terra e piani di massa.

Nel caso degli amplificatori operazionali di precisione è importante evitare la messa a terra nelle aree sotto e attorno ai loro ingressi e alle loro uscite perché la capacità parassita creata tra il piano di massa e le piazzole di ingresso e di uscita è dannosa per le prestazioni dell'amplificatore ad alta velocità. La capacità parassita sull'ingresso invertente, assieme alla capacità in ingresso dell'amplificatore, riduce anche il margine di fase e può causare instabilità. Sull'uscita, la capacità parassita crea un polo nell'anello di retroazione che può anche ridurre il margine di fase e rendere instabile il circuito.

Come iniziare con gli amplificatori operazionali di precisione

L'esplorazione delle molte sottigliezze prestazionali di questi amplificatori operazionali è semplificata dall'uso di schede di valutazione messe a disposizione dal fornitore. Fortunatamente, le piedinature della maggior parte degli amplificatori operazionali in un dato contenitore sono ampiamente standardizzate all'interno del portafoglio del fornitore (e in gran parte del settore). Pertanto, si può utilizzare un'unica scheda di valutazione per molti modelli di amplificatori operazionali.

Ad esempio, EVAL-HSAMP-2RMZ-8 di Analog Devices è una scheda di valutazione nuda (non popolata) a sei livelli per gli amplificatori a due canali MSOP a 8 conduttori. Accetta connettori con montaggio a bordo scheda SMA sugli ingressi e sulle uscite per una connessione efficiente e a banda larga con le apparecchiature di test o altri circuiti (Figura 9).

Figura 9: La scheda a circuiti stampati nuda a sei livelli EVAL-HSAMP-2RMZ-8 di Analog Devices per la valutazione degli amplificatori operazionali doppi MSOP a 8 conduttori accetta connettori con montaggio a bordo scheda SMA sugli ingressi e sulle uscite. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Il piano di massa e il posizionamento dei componenti della scheda di valutazione sono studiati per ridurre al minimo le induttanze e le capacità parassite, anche se la cosa non è evidente se si guarda solo il suo schema (Figura 10).

Figura 10: Schema della scheda di valutazione EVAL-HSAMP-2RMZ-8 di Analog Devices. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Lo schema di EVAL-HSAMP-2RMZ-8 mostra le interconnessioni e le assegnazioni dello spazio dei componenti, ma non ne indica i valori effettivi. Questo perché la scheda non è popolata, per consentire all'utente di valutare le prestazioni con i valori del dispositivo passivo abbinati all'amplificatore operazionale e alle esigenze dell'applicazione. I componenti della scheda di valutazione suggeriti hanno principalmente dimensioni involucro 0603 SMT, fatta eccezione per i condensatori di bypass elettrolitici (C1 e C2), che hanno dimensioni involucro 1206.

Conclusione

I circuiti integrati di acquisizione dati su larga scala e altamente integrati possono ridurre costi, tempi, dimensioni e distinta base (BOM), ma alcune applicazioni richiedono un amplificatore operazionale di precisione discreto. Questo dispositivo a funzione singola è altamente specializzato, il che rende difficile la scelta e la progettazione per sfruttarne al massimo il potenziale prestazionale.

Tuttavia, conoscendo i numerosi fattori a cui prestare attenzione al momento di scegliere il dispositivo desiderato, è possibile accelerare il processo di selezione. Una volta operata la scelta, per applicare correttamente l'amplificatore operazionale di precisione vanno presi in considerazione i fattori descritti. Si eviterà così di compromettere le prestazioni effettive dei dispositivi dichiarate nella scheda tecnica. Inoltre, le schede di valutazione abbinate alle conoscenze sul posizionamento e sul layout della scheda - fattori fisici che non compaiono nel diagramma schematico - sono percorsi cruciali per il successo del design-in.