Comprendere le fonti di corrente di precisione e i sinks in attrezzature di prova moderne

Le prestazioni delle apparecchiature di prova dipendono dalla capacità di generare correnti note e stabili per la calibrazione e la caratterizzazione. Le sorgenti e i lavandini di corrente basati su amplificatori operativi forniscono l'accuratezza e la flessibilità richieste nelle applicazioni che vanno dal test dei semiconduttori alla simulazione del trasduttore. Questi circuiti raggiungono precisione sfruttando il feedback per controllare la corrente attraverso un noto reattore di rilevamento, rendendo il comportamento della sorgente o del lavandino indipendente dall'impedenza del carico all'interno della gamma di conformità.

Principi fondamentali del controllo corrente dell'amplificatore

Una sorgente corrente fornisce una corrente stabile a un carico indipendentemente dalle variazioni di tensione nella sua uscita, mentre un lavandino corrente disegna una corrente definita da un dispositivo sotto test. Gli amplificatori Op consentono queste funzioni formando un sistema a ciclo chiuso che confronta la tensione sviluppata attraverso una resistenza a senso a un riferimento. L'amplificatore op regola la sua uscita per ridurre l'errore, costringendo la tensione di resistenza a senso per corrispondere al riferimento.

Il meccanismo di feedback

L'amplificatore op opera in una configurazione negativa del feedback, dove la resistenza al senso si collega tra l'ingresso invertente e il terreno o un terreno virtuale. Per una fonte corrente, l'amplificatore op amp guida corrente nel carico mentre monitora la caduta attraverso la resistenza al senso. Qualsiasi deviazione dalla corrente impostata provoca l'operazione di regolazione della tensione di uscita fino al ritorno dell'equilibrio. Questa risposta avviene all'interno della larghezza di banda dell'amplificatore, consentendo un rapido impostazione per la regolazione della sequenza.

Determinanti dell'accuratezza

Tre componenti dominano l'accuratezza di una sorgente o di un lavandino di corrente op amp. Il riferimento di tensione deve mantenere il suo valore nel tempo e nella temperatura, con scelte tipiche che vanno dai riferimenti di bandgap di precisione ai dispositivi sepolti-zener che offrono tolleranze iniziali inferiori allo 0,05%. Il resistore di senso deve avere coefficiente di temperatura basso e alta stabilità, spesso richiedendo metallo foil o resistenze di film sottile con TC sotto 10 ppm/°C.

Configurazione della sorgente di corrente di base

La sorgente di corrente di precisione più semplice utilizza un singolo amplificatore, una tensione di riferimento e un resistore di senso. Il riferimento si collega all'ingresso non invertente, mentre la resistenza del senso si collega dall'ingresso invertente all'uscita dell'amplificatore op. Il carico appare in serie con il resistore del senso sul lato di uscita, con corrente che scorre dall'uscita dell'amplificatore op attraverso il resistore del senso e nel carico.

Criteri di selezione dei componenti

  • Tensione di riferimento:[] Scegli un basso rumore, un riferimento di precisione come la serie ADR4520 o LT6655. Per le correnti regolabili, un DAC di precisione seguito da un buffer può sostituire il riferimento fisso, permettendo la programmazione.
  • Rispezione del senso:[] Selezionare una resistenza con potenza adeguata per la corrente massima. Utilizzare una configurazione Kelvin a quattro tempi per le correnti superiori a 100 mA per eliminare gli errori di resistenza al piombo. I valori di resistenza dovrebbero mantenere la tensione del senso tra 100 mV e 1 V per un rapporto segnale-rumore ottimale.
  • Op selezione ampli:[[] Cercare una bassa tensione di offset (bassa 100 μV), bassa corrente di bias (bassa 1 nA per la maggior parte del lavoro di precisione), e sufficiente gamma di tensione di uscita per guidare il carico più la caduta di resistenza del senso.

Considerazioni di tensione di conformità

La tensione di conformità di una sorgente corrente è la tensione di uscita massima che può fornire mantenendo la regolazione. Questo equivale alla tensione di alimentazione op amp meno la caduta di tensione attraverso la resistenza del senso e la tensione di saturazione di uscita dell'amplificatore. Per una fonte alimentata da 12 V con una tensione di senso 500 mV e una caduta di uscita di 200 mV, la conformità raggiunge circa 11.3 V. Se il carico richiede tensione più alta, o una maggiore conformità di un sistema di boot-trap.

Progettazione di un dissipatore di corrente di precisione

Un circuito di lavandino corrente disegna una corrente definita dal carico in terra o una fornitura negativa. L'op amp controlla un transistor o la sua uscita per mantenere la tensione di resistenza del senso pari al riferimento. La configurazione più comune pone la resistenza del senso tra il carico e l'ingresso di invertimento dell'amplificatore, con l'op amp che guida un transistor di passaggio in serie.

Topologia del vaso di Transistor

Per le correnti che superano la capacità di uscita dell'amplificatore, un transistor discreto gestisce la dissipazione di potenza. L'amplificatore spinge la base transistor (per bipolare) o il cancello (per MOSFET), e il collettore transistor (o scarico) collega attraverso la resistenza al senso a terra. Il loop di feedback regola la corrente di emettitore (o sorgente) per abbinare il valore impostato.

Reiezione di tensione comune

Nelle configurazioni del lavandino, gli ingressi op amp devono operare sopra l'intervallo di tensione presente al terminale di carico. I progetti che affondano la corrente da una fonte di tensione che varia durante il test richiedono amplificatori op con alto rapporto di rifiuto comune-mode (CMRR).

Architetture di circuito avanzate

I progetti di base mono-op-amp servono molte applicazioni, ma le attrezzature di prova esigenti richiedono prestazioni migliorate.

Fonte attuale della regione

La sorgente di corrente Howland utilizza una configurazione differenziale dell'amplificatore per fornire un'uscita bidirezionale con una maggiore impedenza di uscita rispetto al design di base. Due percorsi di feedback creano un ponte bilanciato che costringe la corrente di carico a dipendere solo dalla tensione di ingresso e da una resistenza impostata, indipendente dall'impedenza di carico.

Howland potenziato con Buffer

Aggiungendo un buffer di unità-gain tra l'uscita op amp e le resistenze di feedback elimina l'effetto di carico della rete di feedback sulla fase di uscita. Questa modifica migliora l'impedenza di uscita ad alte frequenze e mantiene l'accuratezza durante la guida di carichi capacitivi. Il buffer isola anche gli effetti termici nella fase di uscita dalle resistenze di feedback di precisione, migliorando la stabilità a lungo termine.

Fonti correnti arretrate

La tensione di conformità aumenta mediante un secondo amplificatore op per aumentare la tensione di alimentazione dell'amplificatore primario di corrente. Questa tecnica permette alla sorgente corrente di regolare su un ampio range di tensione di uscita senza richiedere un'alimentazione ad alta tensione per il circuito di controllo. Le sorgenti di avvio appaiono in calibratori di precisione e in tracciatori di curva dove sono necessarie tensioni di conformità di 100 V o più, mantenendo la risoluzione di corrente di microamp-livello.

Intervalli correnti di guadagno commutati

L'approccio a commutazione-gain utilizza relè di precisione o interruttori analogici per selezionare resistenze e intervalli di tensione di riferimento diversi. Il design deve essere considerato per la resistenza di contatto commutata e gli EMF termici, soprattutto a livelli di corrente bassa dove gli errori di livello milliohm diventano significativi.

Attuazione pratica in attrezzature di prova

Le apparecchiature di test del mondo reale richiedono più delle prestazioni teoriche. I circuiti di gestione termica e di protezione determinano se un progetto raggiunge la sua precisione prevedibile in ambienti di produzione.

Telaio PCB per precisione

Le connessioni a resistenza densa devono usare Kelvin per rilevare con forza separata e tracce di senso per eliminare le gocce di tensione dovute alla resistenza al rame PCB. L'ingresso invertente op amp si collega direttamente al terminale di resistenza al senso senza alcuna interferenza tramite o connettori che potrebbero introdurre effetti termocoppie.

Gestione termica

La dissipazione di potenza nel resistore e nel transistor passa provoca il riscaldamento localizzato che sposta i valori dei componenti e genera tensioni termoelettriche. Utilizzando resistenze con bassi coefficienti di autoriscaldamento e mettendoli lontano dal riferimento e l'amplificatore op minimizza i gradienti termici.

Protezione e manutenzione

  • Protezione contro le sovratensioni:[] I diodi bloccanti della serie impediscono danni quando la tensione di carico supera l'alimentazione dell'amplificatore op.
  • Current limiting:[] Aggiungendo un amplificatore o un comparatore secondario per monitorare la tensione attraverso una piccola resistenza della serie fornisce il ripiegamento o il limite costante-corrente durante le condizioni di errore.
  • Protezione della corrente inversa:[] Diodi Schottky in parallelo con il percorso di carico impediscono il flusso inverso della corrente quando la tensione di carico supera la conformità corrente della sorgente.
  • Stabilità del carico capacitivo:[] L'attrezzatura di prova spesso si collega ai cavi e alle apparecchiature con una capacità significativa. Un condensatore di feedback in parallelo con la resistenza del senso compensa il ritardo di fase aggiuntivo, mantenendo la stabilità del loop alle alte frequenze.

Verifica della calibrazione e dell'accuratezza

Le sorgenti di corrente di precisione richiedono una calibrazione contro gli standard esterni per ottenere la loro precisione specificata. La procedura di calibrazione prevede la misurazione della corrente di uscita con un ammetro di precisione o attraverso una resistenza calibrata a shunt, quindi la regolazione della tensione di riferimento o la compensazione per gli errori di offset. La calibrazione basata sul software memorizzata in memoria non volatile consente il risarcimento per errori di guadagno e di offset da riferimento, resistore di senso e op amp collettività.

Tecniche di auto-crisi

Un riferimento di tensione stabile e una precisione ADC misurano la tensione del senso reale e calcolano la corrente reale. Il sistema quindi regola un potenziometro digitale o DAC per annullare l'errore. Questo approccio compensa gli effetti di invecchiamento nel senso resistor e op amp, estendendo intervalli di calibrazione a diversi anni.

Per un esempio dettagliato delle procedure di calibrazione per le sorgenti di corrente di precisione, fare riferimento a Nota di applicazione di Analog Devices sulla calibrazione[. Ulteriori informazioni sulla selezione di resistori a senso sono disponibili da Guida di applicazione di resistenza di precisione di Vishay].

Rumore e Ripple Performance

Il funzionamento a basso rumore è fondamentale quando le sorgenti di corrente di precisione forniscono circuiti di misura sensibili come sensori di ponte o amplificatori a basso livello. Le fonti di rumore includono il riferimento di tensione, il rumore di tensione di ingresso dell'amplificatore e il rumore termico dalla resistenza del senso.

Filtraggio Strategie

Un filtro Sallen-Key di secondo ordine tra la sorgente di riferimento e l'ingresso op amp non inverting fornisce frequenze di angolo inferiori a 1 Hz per applicazioni ultra-basso rumore. I componenti del filtro devono utilizzare condensatori a basso dielettrico-assorbimento e resistenze di pellicola metallica per evitare l'introduzione della deriva o della microfonia.

Reiezione dell'alimentazione elettrica

Il riassorbimento da centrali elettriche di commutazione coppie nella sorgente corrente attraverso i perni di alimentazione op amp e il circuito di riferimento.Dedicati post-regolatori per l'alimentazione op amp e l'alimentazione di riferimento migliorano il rapporto di rifiuto dell'alimentazione di alimentazione (PSRR) di 40 dB o più. I filtri di pi-filtri utilizzando perle ferrite e condensatori elettrolitici all'ingresso della scheda di circuito forniscono un'attenuazione supplementare per frequenze superiori a 1 MHz.

Applicazioni nel test di produzione

I tester di parametri di semiconduttore utilizzano sorgenti di corrente programmabili per forzare la corrente durante la misurazione della tensione, estraendo parametri come il fattore di idealità diode e la beta di transistor. I sistemi di calibrazione del sensore applicano correnti precise ai rilevatori di temperatura di resistenza e agli estensimetri per simulare le condizioni fisiche conosciute, verificando la linearità del sistema e l'offset.

Caratterizzazione dei componenti

Caratterizzare i diodi Zener e i riferimenti di tensione richiedono una sourcing delle correnti conosciute durante la misurazione della stabilità della tensione nel tempo. Un lavandino di corrente di precisione configurato per disegnare 10 μA dal dispositivo in prova rivela il rumore di tensione e la deriva a lungo termine che resterebbe nascosta con una corrente meno stabile.

Test e simulazione della batteria

L'accuratezza della regolazione corrente influisce direttamente sulle misurazioni di capacità calcolata e resistenza interna. Le sorgenti di corrente di precisione con la tensione di conformità corrispondente alla gamma di tensione della batteria consentono di testare l'intero range di stato di carica, da 4,2 V per cella fino alla tensione di taglio, mantenendo al contempo l'accuratezza della corrente dello 0,05%.

Integrazione con il controllo digitale

L'interfaccia digitale consente di eseguire sequenze di test automatizzate e di registrazione dei dati mantenendo la precisione analogica dei componenti di installazione corrente. Le barriere di isolamento, ottiche o magnetiche, proteggono i canali di misura sensibili dai loop di terra quando più fonti di corrente condividono un dispositivo di prova comune.

Coefficienti di calibrazione

I microcontrollori incorporati memorizzano i coefficienti di calibrazione individuali per ogni range di corrente e condizione di funzionamento. Le correzioni polinomiali compensano la non linearità nella resistenza al senso e la variazione di guadagno dell'amplificatore con la tensione di uscita. Una correzione tipica utilizza un polinomio di terzo ordine per ridurre gli errori residui dallo 0,1% al di sotto dello 0,01% attraverso l'intero range di conformità senza richiedere costosi componenti di trim analogici.

Per la guida sull'implementazione della calibrazione digitale nelle apparecchiature di prova, vedere ] Nota di applicazione di Maxim Integrated sui sistemi di calibrazione digitale.

Le direzioni future in Precisione di progettazione corrente

Gli amplificatori Autozero con tensioni di offset inferiori a 1 μV eliminano il termine di errore dominante per applicazioni a bassa corrente, consentendo le correnti di sorgente nella gamma nanoamp con una precisione migliore dell'1%. Gli amplificatori op ad alta tensione offrono ora forniture di ±100 V con protezione integrata, semplificando la progettazione di sorgenti di corrente estesa senza transistor discreti.

I loop di feedback digitali che operano insieme al controllo analogico promettono una larghezza di banda adattativa che si adatta a carichi di impedenza in tempo reale. Tali sistemi mantengono la stabilità in una gamma più ampia di condizioni di prova, preservando la precisione DC del percorso di riferimento analogico.