Elija el amplificador operacional de precisión adecuado para simplificar el diseño de Front-End analógico

Los expertos en diseño de circuitos saben que vale la pena invertir tiempo en la elección de un amplificador operacional específico para un AFE (Front-End analógico) o un canal de señal analógica. Este componente diminuto —a menudo cuenta solo con ocho terminales— tiene la modesta pero vital tarea de amplificar, regular y filtrar señales de salida de sensor pequeñas y, en general, frágiles.

Si usa el amplificador operacional adecuado, el rendimiento del canal de señal cumplirá con los objetivos y simplificará los algoritmos de procesamiento y análisis de señal que luego se realizan en la señal digitalizada. Este único componente puede minimizar los frustrantes esfuerzos de depuración relacionados con la búsqueda de errores difíciles de encontrar e inconsistencias de datos, ya que proporciona la combinación correcta de especificaciones de ganancia, rango de entrada, ruido, estabilidad y otros atributos.

Como solía comentar Bob Pease, experto en circuitos y componentes analógicos, “un buen amplificador operacional vale más que mil puertas”. Lo dijo en sentido figurado y literal: la elección correcta del amplificador operacional puede ahorrarle muchos dolores de cabeza en el mundo digital y del software.

Elegir el “mejor” amplificador operacional para un AFE suele ser un desafío, ya que las numerosas especificaciones de cualquier amplificador operacional resultan de encontrar un equilibrio entre las compensaciones y los compromisos del diseño. Estos atributos deben coincidir con los pesos relativos del diseñador para las prioridades de rendimiento del proyecto. Afortunadamente, los nuevos amplificadores operacionales reducen estas compensaciones.

Un ejemplo es el ADA4510-2 de Analog Devices, un amplificador operacional de doble canal, 40 voltios y alta precisión. Presenta baja corriente de polarización de entrada, bajo voltaje de compensación, baja deriva de voltaje de compensación, bajo ruido, y entrada y salida dual en un paquete SOIC (circuito integrado de contorno pequeño) de cuerpo estrecho de ocho terminales. Se puede utilizar en casi cualquier punto de la cadena de señales, incluida la detección, el acondicionamiento y el control de salida (Figura 1).

Figura 1: El ADA4510-2 puede proporcionar funcionalidad de precisión en muchos puntos críticos del AFE y a lo largo de toda la cadena de señal analógica. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Este dispositivo elimina muchos de los “puntos débiles” que encuentran los diseñadores al seleccionar un amplificador para una cadena de señal. Si bien las prioridades de las aplicaciones difieren, este amplificador operacional puede proporcionar un rendimiento superior con muchas de ellas, incluidos pruebas y mediciones electrónicas, sistemas de adquisición de datos, equipos de prueba automatizados, instrumentos médicos, cadenas de señales de entrada multiplexadas, mediciones de corriente de precisión y amplificadores de fotodiodos.

Gran parte del rendimiento mejorado se debe a la técnica patentada DigiTrim. DigiTrim corrige cualquier voltaje de compensación y derivaciones causadas por tensiones mecánicas debido a efectos de ensamblaje y empaque, además de las características del molde sin revestimiento ya recortado.

Con el uso de esta técnica patentada, el ADA4510-2 logra una baja deriva de compensación excelente (±70 nV/°C [nanovoltios por grado Celsius] típica, ±500 nV/°C máximo) y una baja tensión de compensación (±5 μV [microvoltios] típica, ±20 μV máximo), lo que simplifica las calibraciones relacionadas con la temperatura en diseños de precisión. Además, en la hoja de datos se proporcionan números típicos y especificaciones mínimas o máximas (según corresponda) para todos los parámetros críticos.

Disposición y protección

Con muchos componentes analógicos, especialmente los de precisión como el ADA4510-2, considerar cuidadosamente los detalles y las sutilezas del diseño es esencial para alcanzar su potencial de rendimiento. Dado que el ADA4510-2 tiene entradas de impedancia extremadamente alta, cualquier impedancia de derivación debida a resistencia de fuga y capacitancia parásita en el diseño de la placa de CI (placa de circuito impreso) degradará gravemente el rendimiento de su entrada de baja polarización. En la hoja de datos del ADA4510-2, se proporcionan más detalles.

En la hoja de datos, se enfatiza que puede ser necesaria una “protección” para proteger contra la corriente de fuga parásita mediante la reducción del gradiente de voltaje visto por el nodo de entrada. La protección es una técnica establecida en la que se crea un conductor de baja impedancia para rodear un nodo de alta impedancia y se conduce al voltaje de ese nodo. Sirve para regular la corriente de fuga desviándola del nodo sensible hacia la protección de baja impedancia (Figura 2).

Figura 2: La protección es una técnica utilizada para minimizar los efectos perjudiciales de la fuga de corriente en una entrada de alta impedancia. En la imagen superior, se muestra el concepto de protección mediante un diagrama esquemático. En la imagen inferior, se muestra la implementación del diseño de protección en una placa de circuito. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Conviértase en físico con un tablero de evaluación

En lugar de perder tiempo fabricando su propio diseño de prueba para evaluar la idoneidad del ADA4510-2 en su aplicación, utilizar una placa de evaluación optimizada y proporcionada por el proveedor ahorra tiempo y funciona mejor. Para este fin, Analog Devices ofrece EVAL-ADA4510-2ARZ (Figura 3). Este diseño compacto utiliza componentes de SMT (tecnología de montaje en superficie) en el tamaño de la carcasa estándar 0603 (0.06 × 0.03 in [pulgadas]), excepto los capacitores de derivación y las resistencias de terminación.

Figura 3: La placa de evaluación EVAL-ADA4510-2ARZ es una herramienta compacta, conveniente y optimizada para ejercitar el ADA4510-2 y evaluar sus características en una aplicación de destino. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Esta placa de evaluación presenta una variedad de espacios de condensadores y resistencias desocupados, lo que brinda al usuario opciones y flexibilidad para implementar diferentes circuitos centrados en aplicaciones. También tiene disposiciones para sensores de fotodiodos para permitir una fácil configuración de un TIA (amplificador de transimpedancia). El diseño incluye protección para garantizar la baja fuga y la capacitancia parásita requerida para las aplicaciones TIA.

La placa incorpora conectores SMA montados en el borde para facilitar la interfaz con equipos de prueba y otros circuitos. La guía del usuario UG-2133 de siete páginas contiene información de configuración, un diagrama esquemático, un patrón de diseño de la placa de CI para los lados superior e inferior y una BOM (lista de materiales) de piezas para los diseñadores que quieran utilizarla como guía de diseño.

Conclusión

Elegir el amplificador operacional adecuado es fundamental a la hora de diseñar un AFE de alto rendimiento. El uso de un amplificador operacional de precisión como el ADA4510-2 con su tecnología de recorte patentada minimiza la deriva de la cadena de señal y el ruido que podrían degradar el rendimiento.

Contenido relacionado (todo de Analog Devices)

• Hoja de datos de ADA4510-2

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

• Guía del usuario de 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 de aplicación AN-347, “Shielding and Guarding”

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

• Nota técnica, “Layout For Precision Op Amps”

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