כיצד להשתמש במגברי שרת עם אפס-סחיפה כדי להשיג בקרת מערכות תעשייתיות עם דיוק, דיוק-חוזר והספק נמוך

ככל שמערכות תעשייתיות עוברות יותר ויותר מבקרה מכנית לאלקטרונית, היצרנים רואים יתרונות הן באיכות המוצר והן בבטיחות העובדים; כאשר האחרונה נובעת בעיקר מכך שהעובדים מוגנים יותר מפני סביבות קשות. עם זאת, מדובר בסביבות קשות עם טמפרטורה קיצוניות כמו גם רעש חשמלי והפרעות אלקטרומגנטיות (EMI), ההופכות את אכשור האותות לקריטי כל כך עבור שמירה על יציבות ורגישות המעגלים הנדרשת עבור בקרה אמינה ומדויקת במשך חיי הפעולה של מכונות תעשייתיות.

רכיב קריטי בשרשרת אכשור האותות הוא מגבר שרת (Op-Amp), מגבר דיפרנציאלי DC עם הגבר גבוה המשמש לקליטת והגברת האותות הנדרשים. מגברי שרת סטנדרטיים רגישים לסחיפת טמפרטורה ויש להם דיוק ודיוק-חוזר מוגבלים; לכן, כדי לעמוד בדרישות התעשייה, המתכננים מוסיפים צורה כלשהי של כיול אוטומטי ברמת המערכת. הבעיה היא שפונקציית כיול זו יכולה להיות מורכבת למימוש ומגדילה את צריכת ההספק. זה גם דורש יותר מקום על הלוח ומוסיף למשך התכנון ולעלות.

מאמר זה יסקור את דרישות אכשור האותות של יישומים תעשייתיים ואילו שיקולים צריכים המתכננים להביא בחשבון. לאחר מכן הוא יציג פתרונות מגבר שרת עם אפס-סחיפה ועם ביצועים עיליים מבית ON Semiconductor ויראה מדוע וכיצד ניתן להשתמש בהם כדי לעמוד בדרישות אכשור אותות תעשייתי. מאפיינים רלוונטיים אחרים של התקנים אלו, כגון יחס דחיית אופן-משותף גבוה (CMRR), יחס דחיית ספק-כוח גבוה (PSRR) והגבר חוג-פתוח גבוה, ייבחנו גם הם.

יישומי אכשור אותות תעשייתי

חישת זרם צד-נמוך וממשקי חיישנים משמשים לעיתים קרובות במערכות תעשייתיות. עקב האותות הדיפרנציאליים הקטנים ביותר הקשורים למעגלים אלה, המתכננים זקוקים למגברי שרת עם דיוק גבוה.

חישת זרם צד-נמוך משמשת לגילוי מצבי זרם-יתר והיא משמשת לעיתים קרובות בבקרת משוב (איור 1‏). נגד חישה עם ערך נמוך (< 100 מילי-אוהם (mΩ)) ממוקם בטור עם העומס להארקה. הערך הנמוך של הנגד מפחית את הפסדי ההספק ואת ייצור החום אך גורם למפל מתח קטן בהתאמה. מגבר שרת מדויק עם אפס-סחיפה יכול לשמש להגברת מפל המתח על פני נגד החישה עם הגבר המוגדר על ידי הנגדים החיצוניים R1‏, R2‏ R3 ו- R4 (כאשר R1 = R2, R3 = R4). הנגדים המדויקים נדרשים עבור דיוק גבוה, וההגבר מוגדר כדי לנצל את התחום המלא של ממיר האנלוגי-לדיגיטלי (ADC) עבור הרזולוציה הגבוהה ביותר.

איור 1‏: חישת זרם צד-נמוך עם ממשק מגבר שרת בין נגד החישה לבין ממיר ה- ADC. (מקור התמונה: ON Semiconductor)

חיישנים המשמשים למדידת מאמץ, לחץ וטמפרטורה במערכות תעשייתיות ומכשור מוגדרים לעיתים קרובות בתצורת גשר Wheatstone‏ (איור 2). שינוי מתח החיישן המספק את המדידה יכול להיות קטן למדי ויש להגביר אותו לפני שנכנסים לתוך ה- ADC. מגברי שרת מדויקים עם אפס-סחיפה משמשים לעיתים קרובות ביישומים אלו הודות להגברים הגבוהים, הרעש הנמוך ומתחי ההיסט (Offset) הנמוכים שלהם.

איור 2: מגברי שרת מדויקים משמשים לעיתים קרובות עם גשרי Wheatstone להגברת אותות מחיישנים עבור מאמץ, לחץ וטמפרטורה לפני שליחת האותות לממיר ADC. (מקור התמונה: ON Semiconductor)

פרמטרים עיקריים עבור מגברי שרת מדויקים

מתח היסט, סחיפת מתח היסט, פגיעות לרעש והגבר מתח חוג-פתוח הם הפרמטרים העיקריים המגבילים את ביצועי מגברי שרת ביישומי חישת זרם וממשק חיישנים (טבלה 1).

טבלה 1: הפרמטרים העיקריים עבור מגברי שרת מדויקים המשפיעים על הדיוק ועל הדיוק-החוזר. (מקור התמונה: ON Semiconductor)

מתח ההיסט בכניסה (מצוין על ידי _OS‏V‏ או _I/O‏V‏, תלוי ביצרן) נגזר מפגמים בתהליך ייצור המוליכים-למחצה הגורמים למתח דיפרנציאלי בין _+IN‏V לבין _-IN‏V. זהו שונות בין חלק-לחלק העלולה להיסחף על פני הטמפרטורות, היכולה להיות חיובית או שלילית ולכן קשה להתגבר עליה על ידי כיול. מאמצי המתכננים להקטין את ההיסט או את הסחיפה במגברי שרת סטנדרטיים לא רק שמוסיפים מורכבות, אלא שבמקרים מסוימים יכולים לגרום לצריכת הספק מוגדלת.

לדוגמה, חישת זרם באמצעות מגבר שרת בתצורת מגבר הפרש (איור 3).

איור 3‏: חישת זרם באמצעות מגבר שרת בתצורת מגבר הפרש. מתח היסט נמוך הוא קריטי מכיוון שמתח ההיסט של הכניסה מוגבר על ידי הגבר הרעש, ויוצר שגיאת היסט ביציאה (מצוינת כ"שגיאה עקב _OS‏V"). (מקור התמונה: ON Semiconductor)

מתח היציאה הוא הסכום של הגבר האות (_SENSE‏V) והגבר הרעש (_OS‏V‏)), כפי שמוצג במשוואה 1:

משוואה 1

כפרמטר מגבר שרת פנימי, מתח ההיסט בכניסה מוכפל בהגבר הרעש ולא בהגבר האות, וכתוצאה מכך נוצרת שגיאת היסט ביציאה ("שגיאה עקב _OS‏V" באיור 2). מגברי שרת מדויקים מקטינים למינימום את מתח ההיסט ככל האפשר באמצעות טכניקות שונות. במגברי שרת עם אפס-סחיפה זה משפיע במיוחד בתדרים נמוכים ובאותות DC. מתח ההיסט של מגברי שרת מדויקים עם אפס-סחיפה יכול להיות יותר משני סדרי גודל נמוך יותר בהשוואה למגברי שרת לשימוש כללי (טבלה 2).

טבלה 2: בהשוואה בין מתחי ההיסט המקסימליים של מגברי שרת נבחרים לשימוש כללי לבין מגברי שרת עם אפס-סחיפה מיוצבי-קוצץ, מתח ההיסט של מגברי שרת מדויקים עם אפס-סחיפה יכול להיות יותר משני סדרי גודל נמוך יותר. (מקור התמונה: ON Semiconductor)

מגברי שרת עם אפס-סחיפה

עם הביצועים המשופרים שלהם, המתכננים יכולים לעמוד בדרישות אכשרת האותות של יישומים תעשייתיים באמצעות מגברי שרת עם אפס-סחיפה. שתי דוגמאות למגברי שרת עם אפס-סחיפה המציעים רמות שונות של ביצועים הם NCS325SN2T1G‏ ו- NCS333ASN2T1G‏ מבית ON Semiconductor. המתכננים יכולים להשתמש בהתקן NCS325SN2T1G‏ עבור יישומים מדויקים היכולים להפיק תועלת מההיסט של 50 מיקרו-וולט (µV‏) ומהסחיפה של µV/°C‏ 0.25, בעוד שמשפחת NCS333ASN2T1G‏ מתאימה עבור מרבית היישומים התובעניים עם דיוק גבוה ומעניקה היסט של µV‏ 10 וסחיפה של µV/°C‏ 0.07 בלבד. שני מגברי שרת אלו משיגים אפס-סחיפה באמצעות ארכיטקטורות פנימיות שונות.

ה- NCS333ASN2T1G משתמש בארכיטקטורה מיוצבת-קוצץ , המעניקה את היתרון של הקטנה למינימום של מתח ההיסט על פני הטמפרטורה והזמן (איור 4). שלא כמו ארכיטקטורת הקוצץ הקלאסית, לארכיטקטורה מיוצבת-קוצץ יש שני מסלולי אותות.

איור 4: ל- NCS333ASN2T1G שני מסלולי אותות: המסלול השני (למטה) דוגם את מתח ההיסט של הכניסה, המשמש לתיקון ההיסט ביציאה. (מקור התמונה: ON Semiconductor)

באיור 4, מסלול האותות התחתון הוא המקום בו הקוצץ דוגם את מתח ההיסט של הכניסה, המשמש אחר כך לתיקון ההיסט ביציאה. תיקון ההיסט מתבצע בתדר של 125 קילו-הרץ (kHz‏). הארכיטקטורה מיוצבת-הקוצץ מותאמת לביצועים הטובים ביותר בתדרים של עד תדר Nyquist הקשור (1/2 מתדר תיקון ההיסט). מכיוון שתדר האותות עולה על תדר Nyquist‏, KHz‏ 62.5‏, יתכן שיופיע Aliasing ביציאה. זוהי מגבלה אינהרנטית של כל הארכיטקטורות מיוצבות-קוצץ.

ובכל זאת, למגבר שרת NCS333ASN2T1G יש Aliasing מינימלי עד kHz‏ 125‏ ו- Aliasing נמוך עד KHz‏ 190‏. הגישה מוגנת-הפטנט של חברת ON Semiconductor משתמשת בשני מסנני Notch‏ נגד-קבל (RC‏) סימטריים בקסקדה המכוונים לתדר הקוצץ ולהרמוניה החמישית שלו כדי להפחית את השפעות ה- Aliasing.

ארכיטקטורת איפוס-עצמי

גישה אחרת למגברי שרת עם אפס-סחיפה היא ארכיטקטורת איפוס-עצמי (איור 5‏). לתכן איפוס-עצמי יש מגבר ראשי ומגבר איפוס. היא גם משתמשת במערכת עם שעון. בשלב הראשון, הקבלים הממותגים מחזיקים את שגיאת ההיסט מהשלב הקודם ביציאת מגבר האיפוס. בשלב השני, ההיסט מיציאת מגבר האיפוס משמש לתיקון ההיסט של המגבר הראשי. ה- NCS325SN2T1G מבית ON Semiconductor בנוי תוך שימוש בארכיטקטורת איפוס-עצמי.

איור 5‏: דיאגרמת בלוקים מפושטת של מגבר שרת עם איפוס-עצמי NCS325SN2T1G מראה את הקבלים הממותגים. (מקור התמונה: ON Semiconductor)

בנוסף להבדלים בין ה- NCS333ASN2T1G (ארכיטקטורה מיוצבת-קוצץ) לבין ה- NCS325SN2T1G (ארכיטקטורת איפוס-עצמי) מבחינת מתח ההיסט והסחיפה שתוארו לעיל, הארכיטקטורות השונות מייצרות הבדלים בהגבר מתח חוג-פתוח, בביצועי הרעש וברגישות ל- Aliasing. ל- NCS333ASN2T1G יש הגבר מתח חוג-פתוח של 145 דציבלים (dB), בעוד של- NCS325SN2T1G יש הגבר מתח חוג-פתוח של dB‏ 114. בהתחשב ברעש, ל- NCS333ASN2T1G יש CMRR של dB‏ 111 ו- PSRR של dB‏ 130, בעוד ל- NCS325SN2T1G יש CMRR של dB‏ 108 ו- PSRR של dB‏ 107. לשניהם יש דירוגים טובים ביותר , אך ה- NCS333ASN2T1G עולה בביצועים על ה- NCS325SN2T1G.

למגברי שרת סדרת NCS333ASN2T1G‏ יש גם Aliasing מינימלי. הסיבה לכך היא שהגישה מוגנת-הפטנט של חברת ON Semiconductor משתמשת בשני מסנני Notch‏ נגד-קבל (RC‏) סימטריים בקסקדה המכוונים לתדר הקוצץ ולהרמוניה החמישית שלו כדי להפחית את השפעות ה- Aliasing. בתיאוריה, ארכיטקטורת איפוס-עצמי תציג יותר Aliasing דרמטי לעומת סוג מיוצב-קוצץ. אך השפעות ה- Aliasing יכולות להיות שונות ביותר אך לא תמיד מוגדרות. על המתכננים להבין את מאפייני ה- Aliasing של המגבר הספציפי שבו משתמשים. ה- Aliasing אינו פגם במגברי הדגימה, זוהי צורת ההתנהגות. הכרת התנהגות זו וכיצד להימנע ממנה יכולה לגרום למגברי אפס-סחיפה לפעול במיטבם.

לבסוף, למגברי שרת יש רגישות משתנה ל- EMI. צמתים של מוליכים-למחצה יכולים לזהות ולתקן אותות EMI, ויוצרים היסט מתח מושרה-EMI ביציאה המוסיף רכיב אחר לשגיאה הכוללת. פיני הכניסה הם הרגישים ביותר ל- EMI. מגבר השרת עם דיוק גבוה NCS333ASN2T1G משלב מסננים מעבירי-נמוכים כדי להפחית את הרגישות ל- EMI.

שיקולי תכנון ופרישה

כדי להבטיח ביצועים אופטימליים של מגבר השרת, חובה על המתכננים ליישם פרקטיקות תכנון לוחות PCB טובות. מגברי שרת עם דיוק גבוה הם התקנים רגישים. לדוגמה, חשוב למקם קבלי ביטול-צימוד (Decoupling‏) של 0.1 מיקרו-פאראד (µF) קרוב ככל האפשר לפיני הספקת הכוח. כמו כן, בעת יצירת חיבור המצד (Shunt‏), הפסים המוליכים על לוח המעגלים צריכים להיות באורך שווה, בממדים שווים וקצרים ככל האפשר. מגבר השרת ונגד המצד צריכים להיות באותו צד של הלוח, ועבור יישומים הדורשים את רמת הדיוק הגבוהה ביותר, יש להשתמש במצדים עם ארבעה הדקים, הנקראים גם מצדי Kelvin‏. טכניקות משולבות אלה יפחיתו את הרגישות ל- EMI.

יש לעקוב תמיד אחר המלצות יצרן המצד לגבי החיבור אליו. חיבור לא תקין יוסיף מוליך תועה והתנגדות לחישה לא-רצויים למדידה שיגדילו את השגיאה (איור 6).

איור 6‏: חיבור נגד מצד (Shunt) עם שני הדקים המתאר התנגדויות תועות (_Lead‏R ו- _Sense‏R). (מקור התמונה: ON Semiconductor)

הדיוק עשוי להיות מושפע משינויי מתח היסט תלויי-טמפרטורה בפיני הכניסה. כדי להקטין למינימום שינויים אלו, על המתכננים להשתמש במתכות עם מקדמים תרמו-חשמליים נמוכים, ולמנוע גרדיינטי טמפרטורה ממקורות חום או ממאווררי קירור.

סיכום

הצורך באכשור אותות עם דיוק ועם דיוק-חוזר גדל והולך במגוון של יישומים תעשייתיים. גידול זו מלווה בצורך בפיתרונות קומפקטיים בהספק נמוך. מגברי שרת הם רכיבים קריטיים באכשור האותות, אך המתכננים נדרשו להוסיף כיול-עצמי ומנגנונים אחרים כדי להבטיח יציבות על פני הזמן והטמפרטורה תוך הוספת מורכבות, עלות וצריכת הספק נוספת. 

למרבה המזל, המתכננים יכולים לפנות למגברי שרת עם אפס-סחיפה וביצועים עיליים ועם כיול-עצמי רציף, מתחי היסט (Offset) נמוכים ביותר וכמעט אפס-סחיפה על-פני הזמן והטמפרטורה. בנוסף, יש להם צריכת הספק נמוכה על פני תחום דינמי רחב, הם קומפקטיים וכוללים ערכי CMRR גבוהים, ערכי PSRR גבוהים והגבר חוג-פתוח גבוה יותר, כל המאפיינים העיקריים עבור יישומים תעשייתיים.

המלצות לקריאה נוספת

1. יישום חיישנים ואלגוריתמים מתקדמים עבור מעקב תנועה בעלות נמוכה