Scegliere l'amplificatore operazionale di precisione più idoneo per semplificare un progetto di front-end analogico

I progettisti di circuiti più esperti sanno che il tempo dedicato per scegliere con cura l'amplificatore operazionale specifico per un front-end analogico (AFE) o un canale di segnali analogico è ben speso. Questo piccolo componente, spesso dotato di soli otto conduttori, ha il compito modesto ma vitale di amplificare, bufferizzare e filtrare un segnale di uscita di un sensore, piccolo e spesso fragile.

L'uso di un amplificatore operazionale appropriato garantisce che le prestazioni del canale di segnali soddisfino gli obiettivi e semplifica l'elaborazione del segnale e gli algoritmi di analisi che verranno poi eseguiti sul segnale digitalizzato. Individuando la giusta combinazione di specifiche per il guadagno, l'intervallo di ingresso, il rumore, la stabilità e altre caratteristiche, questo singolo componente può ridurre al minimo i frustranti sforzi di debug legati alla ricerca di errori non evidenti e di incoerenze dei dati.

Come diceva spesso il compianto esperto di circuiti e componenti analogici Bob Pease, "Un buon amplificatore operazionale vale più di mille gate". In senso figurato e letterale, intendeva dire: la scelta di un amplificatore operazionale giusto può risparmiarvi molti grattacapi nel mondo digitale e del software.

La scelta del "miglior" amplificatore operazionale per un AFE è spesso una sfida, poiché le sue numerose specifiche derivano dalla ricerca di un equilibrio tra compromessi progettuali. Questi attributi devono essere abbinati ai pesi relativi del progettista per le priorità prestazionali del progetto. Fortunatamente, i nuovi amplificatori operazionali riducono questi compromessi.

Vediamo un esempio di Analog Devices: l'amplificatore operazionale ADA4510-2, a due canali, 40 V e alta precisione. Ha una bassa corrente di polarizzazione in ingresso, una bassa tensione di offset, una bassa deriva della tensione di offset, un basso rumore e un ingresso e un'uscita rail-to-rail in un contenitore SOIC a corpo stretto a otto conduttori. Può essere utilizzato in quasi tutti i punti della catena di segnali, compresi il rilevamento, il condizionamento e il pilotaggio delle uscite (Figura 1).

Figura 1: ADA4510-2 può fornire funzionalità di precisione in molti punti critici dell'AFE e lungo l'intera catena di segnali analogici. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Questo dispositivo elimina molti dei "punti dolenti" che i progettisti incontrano nella scelta di un amplificatore per una catena di segnali. Sebbene le priorità delle applicazioni siano diverse, questo amplificatore operazionale è in grado di fornire prestazioni superiori in molte di esse, tra cui test e misure elettroniche, sistemi di acquisizione dati, apparecchiature di test automatizzate, strumenti medicali, catene di segnali di ingresso multiplati, misure di corrente di precisione e amplificatori per fotodiodi.

Gran parte del miglioramento delle sue prestazioni è dovuto alla tecnica proprietaria DigiTrim. DigiTrim corregge le tensioni di offset e le derive causate dalle sollecitazioni meccaniche dovute agli effetti dell'assemblaggio e del packaging, in aggiunta alle caratteristiche del die nudo già trimmato.

Grazie a questa tecnica brevettata, ADA4510-2 raggiunge un'eccellente deriva di offset a basso livello (±70 nV/°C tipico, ±500 nV/°C massimo) e una bassa tensione di offset (±5 μV tipico, ±20 μV massimo), semplificando le calibrazioni legate alla temperatura nei progetti di precisione. Inoltre, la scheda tecnica fornisce numeri tipici e specifiche minime o massime (a seconda dei casi) per tutti i parametri critici.

Layout e funzioni di guardia

Per molti componenti analogici, soprattutto quelli di precisione come ADA4510-2, per ottenere le loro massime prestazioni è essenziale prendere in considerazione attentamente i dettagli e le sottigliezze del layout. Poiché ADA4510-2 ha ingressi ad altissima impedenza, qualsiasi impedenza shunt dovuta alla resistenza di dispersione e alla capacità parassita nel layout del circuito stampato degrada gravemente le prestazioni del suo ingresso a bassa polarizzazione. La scheda tecnica ADA4510-2 fornisce maggiori dettagli.

In essa, viene sottolineato che le "funzioni di guardia" possono essere necessarie per proteggere dalla corrente di dispersione parassita riducendo il gradiente di tensione visto dal nodo di ingresso. Le "funzioni di guardia" derivano da una tecnica consolidata in cui viene creato un conduttore a bassa impedenza per circondare un nodo ad alta impedenza e viene pilotato alla tensione di tale nodo. Serve a tamponare la corrente di dispersione deviandola dal nodo sensibile verso la guardia a bassa impedenza (Figura 2).

Figura 2: Le "funzioni di guardia" derivano da una tecnica utilizzata per minimizzare gli effetti dannosi della dispersione di corrente su un ingresso ad alta impedenza. L'immagine in alto mostra il concetto di guardia utilizzando un diagramma schematico; l'immagine in basso mostra l'implementazione del layout di protezione su un circuito stampato. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Sfruttare i vantaggi di una scheda di valutazione

Piuttosto che dedicare tempo alla realizzazione del proprio layout di prova per valutare l'idoneità di ADA4510-2 nell'applicazione interessata, l'utilizzo di una scheda di valutazione ottimizzata e offerta dal fornitore consente di risparmiare tempo e di ottenere prestazioni migliori. A tal fine, Analog Devices offre EVAL-ADA4510-2ARZ (Figura 3). Questo design compatto utilizza componenti con tecnologia a montaggio superficiale (SMT) nello standard 0603 (1,52 × 0,77 mm) per le dimensioni del contenitore, ad eccezione dei condensatori di bypass e dei resistori di terminazione.

Figura 3: La scheda di valutazione EVAL-ADA4510-2ARZ è uno strumento compatto, comodo e ottimizzato per utilizzare ADA4510-2 e valutarne le caratteristiche in una data applicazione. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Questa scheda di valutazione presenta una serie di ingombri di resistori e condensatori non popolati, che offrono all'utente scelte e flessibilità per l'implementazione di circuiti per diverse applicazioni. Dispone inoltre di sensori a fotodiodo per consentire una facile configurazione di un amplificatore in transimpedenza (TIA). Il layout include funzioni di guardia per garantire la bassa capacità di dispersione e parassita richiesta per le applicazioni TIA.

La scheda incorpora connettori SMA montati sui bordi per facilitare l'interfacciamento con apparecchiature di test e altri circuiti. Il manuale dell'utente UG-2133 di sette pagine, contiene informazioni sulla configurazione, un diagramma schematico, un modello di layout della scheda a circuiti stampati per i lati superiore e inferiore e una distinta base per i progettisti che desiderano utilizzarla come guida alla progettazione.

Conclusione

La scelta dell'amplificatore operazionale più adatto è fondamentale nella progettazione di un AFE ad alte prestazioni. L'uso di un amplificatore operazionale di precisione come ADA4510-2, con la sua tecnologia di trimming proprietaria, riduce al minimo la deriva della catena di segnali e il rumore che potrebbero compromettere le prestazioni.

Contenuti correlati (tutto da Analog Devices)

• Scheda tecnica ADA4510-2

https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ada4510-2.pdf

• Manuale dell'utente UG-2133 EVAL-ADA4510-2ARZ

https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/user-guides/eval-ada4510-2-ug-2133.pdf

• Engineer Zone, "Guarding techniques"

https://ez.analog.com/amplifiers/w/documents/25819/guarding-techniques

• Nota applicativa AN-347, “Shielding and Guarding”

https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/application-notes/41727248AN_347.pdf

• Nota tecnica, “Layout For Precision Op Amps”

https://www.analog.com/en/resources/technical-articles/layout-for-precision-op-amps.html