Grundlegendes zu Signalkettenfehlern

Branchen weltweit setzen weiterhin auf höhere Betriebsspannungen, um die Stromeffizienz und das Wärmemanagement zu verbessern. Ein 48-V-Rechenzentrum-Rack und ein Elektrotraktor, der mit einer 400-V-Batterie betrieben wird, stellen die gleiche grundlegende technische Herausforderung dar: Wie können Hochspannungssignale auf ≤ 5 V heruntergeteilt werden, bevor ein Mikrocontroller (MCU) sie verarbeiten kann? Diese Konditionierung durchläuft Präzisionsverstärker und -wandler – die analoge Signalkette – und führt jeweils zu Fehlern auf dem Weg. Sobald das Signal auf einen niedrigeren Spannungspegel gedämpft wurde, multiplizieren sich selbst kleine Offsets, die vorne an der Signalkette eingeführt werden, wenn das Signal die nachgelagerten Verstärkungsstufen durchläuft, und kumulierte Fehler können die Sicherheit oder Leistung des Systems beeinträchtigen.

Es gibt zwei Fehlerkategorien, die während der Designstufe auftreten. Anfängliche Offsetfehler stellen die kumulativen Offsetbeiträge jeder Komponente und einer Verstärkungsstufe entlang des Pfades dar, während die Drift erfasst, wie sich dieser Fehler im Laufe der Zeit ändert, wenn die Temperaturen schwanken und die Komponenten altern. Beide stellen ein Genauigkeitsproblem dar, das mit dem Eintritt eines Hochspannungssignals in die Kette beginnt. Die frühzeitige Behebung beider Fehler vermeidet zusätzliche Kosten und Komplexität der Kalibrierung während der Produktionstests.

Wenn Sie die Präzisionsverstärker vorne am Design platzieren, wird die Multiplikation von Fehlern aufgrund der Verstärkung begrenzt, wodurch das Gesamtfehlerbudget am Ausgang reduziert und die Notwendigkeit einer nachgelagerten Korrektur oder Produktionskalibrierung reduziert wird. Abbildung 2 veranschaulicht einen Schaltkreis, der ein 48-V-Signal mit einem Widerstandsteiler dämpft, bevor dieses Signal durch einen Präzisionsverstärker konditioniert wird, um von einem Analog-Digital-Wandler und einer MCU ausgewertet zu werden, die über eine 5-V-Schiene mit Strom versorgt werden.

Abbildung 2 Schaltkreis zur Dämpfung eines 48-V-Signals in einem Rechenzentrum-Rack

Zero-Drift- und e-Trim™-Architekturen

Die Präzisionsverstärker von TI erfüllen die Herausforderungen, die ich beschrieben habe, und bieten zwei Korrekturarchitekturen, die für unterschiedliche kostensensitive Anwendungsanforderungen geeignet sind. TI hat beide Architekturen entwickelt, um die Genauigkeit über verschiedene Betriebsspannungen und Temperaturen aufrechtzuerhalten, die Rechenzentren, Industriesysteme und Elektrofahrzeuge erfordern. Beide Architekturen zielen auch auf die Spezifikationen ab, die in der Signalkette am wichtigsten sind: eine niedrige Anfangs-Offsetspannung und eine niedrige Offsetspannungsdrift über die Temperatur, die direkt zu reduzierten Fehlern und einer verbesserten Systemgenauigkeit führen.

Zero-Drift-Verstärker wenden aktive Korrekturtechniken kontinuierlich während des Betriebs an, um Offset und Drift in Anwendungen mit strengen DC-Genauigkeitsanforderungen zu minimieren, wie z. B. industrielle Prozesssteuerung, Präzisionswaagen und medizinische Instrumentierung.

Die e-Trim™-Verstärker von TI durchlaufen während der Fertigung einen proprietären Trimmprozess, damit Bausteine mit niedriger Offsetspannung und geringem Bias-Strom erzeugt werden, wobei während des Betriebs keine aktive Korrekturschaltung ausgeführt wird. Diese Kombination macht sie bestens geeignet für Anwendungen, bei denen sowohl DC- als auch AC-Signalintegrität wichtig ist, einschließlich Sensorschnittstellen, Audiomessungen und mehrstufiger Signalkonditionierung.

Präzise CMOS-Fertigung im Maßstab

TI hat seine Zero-Drift- und e-Trim-Technologien seit Jahrzehnten entwickelt und Milliarden von Präzisionsverstärkern für Industrie-, Automobil- und medizinische Anwendungen geliefert. Unser Verstärker-Portfolio baut auf dieser Grundlage durch die Kombination eines verbesserten präzisen Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS)-Prozesses und unserer Fertigungseinrichtungen für 300-mm-Wafer auf. Dadurch können Sie die Kosten senken und Gehäusegrößen minimieren sowie gleichzeitig die Produktzuverlässigkeit und Versorgungssicherheit gewährleisten.

Fazit

Schon seit langem ist eine analoge Präzisionsleistung verfügbar, aber die Hürde für eine breite Bereitstellung waren die Kosten dafür. Da diese Barriere wegfällt, erhalten Designer die Freiheit, Präzision dort anzuwenden, wo es das Design erfordert, und nicht nur dort, wo es das Budget zulässt. Da die Anforderungen an Betriebsspannungen und Genauigkeit in Industrie-, Automobil- und Infrastrukturanwendungen immer strenger werden, bieten Präzisionsverstärker Ingenieuren die Grundlage für diese Anforderungen im Maßstab.

Weitere Ressourcen

• Beginnen Sie bei der Entwicklung mit der universellen Do-it-Yourself Verstärkerplatine von TI.
• Lesen Sie den technischen Hinweis von TI „ Methoden zur Offset-Korrektur: Laser-Trim, e-Trim™ und Chopper.“
• Sehen Sie sich die Parametertabelle für Präzisionsverstärker an, um die passenden Produkte zu finden.

Marken

e-Trim™ ist eine Marke von Texas Instruments.

Alle Marken sind Eigentum der jeweiligen Inhaber.