Criteri di selezione dei riferimenti di tensione

Il riferimento di tensione è uno dei blocchi fondamentali di molti sistemi elettronici. Generalmente associato con i convertitori A/D e D/A, in realtà è presente nella quasi totalità delle applicazioni analogiche, come sistemi di elaborazione del segnale e della potenza, strumentazione, apparati per automazione industriale, controllo di processo, apparecchiature medicali, metrologia. La scelta del riferimento di tensione condiziona notevolmente le prestazioni del sistema e per questo è importante comprenderne le caratteristiche principali e sviluppare dei criteri di selezione.

Il riferimento di tensione ideale fornisce in uscita un valore di tensione accurato, indipendente dalle variazioni ambientali quali temperatura, umidità e pressione, variazioni del carico e della tensione di ingresso e stabile nel tempo. Generalmente questi dispositivi sono disponibili in due configurazioni, di tipo shunt e di tipo serie, come evidenziato nella Figura 1.

Figura 1. Riferimenti di Tensione di Tipo Shunt e di Tipo Serie

Figura 1. Riferimenti di Tensione di Tipo Shunt e di Tipo Serie

È fondamentale capire la differenza tra queste due topologie al fine di procedere con una corretta selezione. Il riferimento di tipo shunt è a due terminali e richiede una resistenza esterna per il collegamento alla tensione di ingresso. Il valore e la stabilità della tensione di riferimento dipendono sensibilmente dalla corrente attraverso il dispositivo che, in assenza di carico, è data da I = (Vs - Vref)/R. Selezionando opportunamente il valore di questa corrente è possibile ottimizzare le prestazioni del dispositivo; appare subito evidente che l’impiego ottimale è in applicazioni dove sia la tensione di ingresso che la corrente sul carico non varino apprezzabilmente durante il funzionamento. Inoltre, per mantenere variazioni della corrente contenute rispetto alle variazioni della tensione di ingresso è necessario che il drop out (Vout - Vin) non sia eccessivamente basso, ponendo così un limite per le applicazioni a basso consumo. Il riferimento di tipo shunt, con due soli terminali, può essere molto compatto e tipicamente ha un costo contenuto.

Il riferimento di tipo serie è un dispositivo a tre terminali e pertanto può avere un ingombro maggiore, ma non richiede la resistenza di connessione verso la tensione di ingresso. Grazie a un buffer di uscita è in grado di gestire carichi variabili e la tensione di drop out può essere considerevolmente inferiore favorendo il basso consumo di potenza. Richiede l’uso di condensatori di ingresso e di uscita per ottimizzare le prestazioni. Ha un costo generalmente superiore allo shunt a fronte di caratteristiche superiori. Il riferimento di tipo shunt presenta un notevole vantaggio quando si devono generare tensioni di riferimento negative, vista la sua inerente facilità di connessione, mentre il tipo serie richiede un operazionale esterno per generare la tensione negativa.

PARAMETRI FONDAMENTALI

La conoscenza delle topologie dei riferimenti di tensione consente una migliore comprensione di quelli che sono i parametri fondamentali che andremo a considerare nel seguito delineando alcune linee guida per la selezione. Il primo parametro da considerare è sicuramente il valore iniziale che viene imposto dall’applicazione. Valori tipici vanno da alcune centinaia di millivolt fino ai 10 V. I valori sono generalmente standard; se si considera ad esempio la famiglia ADR45xx di Analog Devices i valori disponibili sono 2.048 V, 2.5 V, 3.0 V, 3.3 V, 4.096 V, 5.0 V. Valori intermedi sono possibili ricorrendo ad amplificatori di precisione oppure a dispositivi dotati di un ingresso di regolazione. Da notare i valori 2.048 V e 4.096 V che, in caso di conversione A/D o D/A a 12 bit, consentono una risoluzione del sistema pari a 1 mV/LSB. Anche in sistemi con un numero più elevato di bit, avere un riferimento legato ad una potenza del 2 semplifica i calcoli eseguiti dal microcontrollore, cosa che alcuni progettisti trovano molto utile. Gli altri valori sono pensati in modo da massimizzare la dinamica in funzione della tensione di alimentazione ed universalmente accettati dai progettisti.

Ove è possibile il progettista dovrebbe sempre optare per un valore standard, in quanto il dispositivo è già ottimizzato nelle sue prestazioni per quei valori. La generazione di valori non standard, oltre all’impiego di componentistica aggiuntiva, comporta sempre un degrado delle prestazioni. Inoltre, la scelta dell’amplificatore esterno e dei passivi associati deve rispecchiare le caratteristiche di precisione del riferimento che si vuole creare, portando a componentistica di pregio con costi relativamente elevati. Una situazione classica in cui il progettista non ha scelta è quando si impone la necessità di una tensione di riferimento negativa. In questo caso conviene sempre fare riferimento ai circuiti consigliati dal costruttore, che si trovano all’interno del datasheet. Una volta scelto il valore iniziale, il parametro successivo da considerare è la precisione, o tolleranza sul valore iniziale, espressa in percentuale, o direttamente in mV.

A meno che non si stia sviluppando un’applicazione in cui la precisione assoluta è un fattore fondamentale, questo parametro non riveste un’importanza notevole. Se, infatti, è prevista una calibrazione, oppure si lavora con tecniche raziometriche, la precisione iniziale può essere facilmente compensata. Esistono, tuttavia, applicazioni che non possono sostenere il costo di una taratura; in questi casi è utile valutare un riferimento con elevata precisione, che, a fronte di un costo più alto, consente di abbattere i costi di sistema eliminando laboriose operazioni di calibrazione. Una misura della bontà di un riferimento di tensione è sicuramente data dalla deriva, un parametro difficile da compensare.

I due fattori che influenzano la deriva sono la temperatura ed il tempo. Nel primo caso si parlerà di coefficiente di temperatura TC, espresso in ppm/°C. La massima deriva tollerabile dipende dall’applicazione. Ovviamente dispositivi con deriva più bassa tendono ad essere più costosi, per cui se l’applicazione è sensibile ai costi conviene fare anche in questo caso una selezione accurata. Il criterio, come si è detto, non può essere univoco, e molto dipende dall’errore massimo che si è disposti a tollerare. Per fare un esempio calcoliamo il coefficiente di temperatura assumendo una deriva massima pari a 1 LSB in sistemi a 8, 12 e 16 bit, per una variazione massima della temperatura di 100 °C, utilizzando la formula:

I risultati sono i seguenti: 8bit - 39.1 ppm/°C, 12bit - 2.44 ppm/°C, 16bit - 0.15 ppm/°C. Come si può osservare, all’aumentare della risoluzione il requisito diventa sempre più stringente. Tuttavia, si tenga presente che 1 LSB per un sistema a 16 bit è in realtà un requisito molto impegnativo; altre fonti potrebbero dominare l’errore complessivo, rendendo superflua una stabilità così elevata. Una classificazione dei riferimenti di tensione in base al coefficiente di temperatura è riportata in Figura 2.

Figura 2. Deriva Termica e Classificazion e dei Riferimenti di Tensione

Figura 2. Deriva Termica e Classificazione dei Riferimenti di Tensione

Riferimenti general purpose hanno TC > 30 ppm/°C, mentre si parla di dispositivi di precisione quando si ha TC < 5 ppm/°C. L’invecchiamento, o stabilità a lungo termine, è un parametro che merita un’attenta valutazione per essere utilizzato correttamente. Generalmente viene misurato in ppm/1000h di funzionamento. Partendo da questo dato, come si può stabilire la deriva dopo n anni di funzionamento? Poiché in un anno ci sono 8766 ore, l’invecchiamento di un anno si ottiene moltiplicando per 8.77 ? Fortunatamente la situazione in questo caso è migliore di quanto ci si possa aspettare in quanto l’invecchiamento dei componenti avviene per la maggior parte nel primo periodo di vita, come si può apprezzare dal grafico di Figura 3.

Figura 3. Stabilità a Lungo Termine

Figura 3. Stabilità a Lungo Termine

In questo caso specifico si vede bene come la variazione massima sia concentrata entro le prime 200 ore di funzionamento. Una buona approssimazione, anche se ancora alquanto conservativa, è quella di adottare una relazione dipendente dalla radice quadrata del tempo trascorso, anziché una dipendenza lineare. Nelle applicazioni in cui ci si voglia assicurare un’ottima stabilità a lungo termine è consigliabile ripetere la calibrazione dopo opportuni intervalli di tempo oppure procedere con un Burnin della scheda prima della calibrazione iniziale. L’utilizzo di tecniche raziometriche, ove possibile, consente di minimizzare l’effetto della deriva dei riferimenti di tensione. Un esempio tipico è riportato in Figura 4 dove si ha un sensore a ponte di Wheatstone (ad esempio una cella di carico in una bilancia, oppure un sensore di pressione) collegato ad un convertitore A/D sigma-delta a 24 bit, l’AD7799. Come si può osservare la tensione di eccitazione del ponte viene utilizzata anche come voltage reference del convertitore. Sempre in Figura 4 il calcolo mostra come nell’espressione finale del codice generato dall’A/D la Vref non compaia.

Figura 4. Configurazione Raziometrica per la Compensazione delle Derive

Figura 4. Configurazione Raziometrica per la Compensazione delle Derive

Eventuali derive di questa tensione quindi non influiscono sulla misura. Ciò non vuol dire che non si debba prestare attenzione alla scelta del riferimento di tensione. Innanzitutto, sia il sensore che l’ADC richiedono un valore corretto di tensione per poter funzionare. Inoltre, la relazione che abbiamo ricavato è valida per basse frequenze; rumore e fenomeni transitori veloci non sono compensati alla stessa maniera e potrebbero invalidare le prestazioni del sistema.

Anche in questo caso, in cui i requisiti sono rilassati, il progettista è chiamato ad una scelta oculata. La tensione di ingresso di un voltage reference è imposta dal processo costruttivo del dispositivo; il drop out va da un minimo di 3 V fino a oltre 30 V. La maggior parte dei riferimenti di tensione attuali sono progettati per avere un basso drop out, che può scendere fino a soli 100 mV. La line sensitivity misura la stabilità della tensione di uscita alle variazioni della tensione di ingresso.

Per un riferimento di buona qualità le variazioni della tensione di ingresso a bassa frequenza hanno un effetto sulla tensione di uscita che tende a confondersi con il livello di rumore. Con l’aumentare della frequenza questo parametro degrada, per questo motivo è sempre meglio prevedere un condensatore di filtro di ingresso, che deve essere posto il più vicino possibile ai pin dell’integrato. Inoltre, è buona norma non collegare l’ingresso del dispositivo a tensioni che presentano un elevato livello di disturbi. Le prestazioni del riferimento di tensione sono anche influenzate dalle variazioni del carico.

Innanzitutto bisogna scegliere un dispositivo che possa fornire una corrente di uscita adeguata per l’applicazione. Generalmente le correnti di uscita possono arrivare fino a qualche decina di mA. La condizione ideale prevede l’impiego di un carico costante. Tuttavia, raramente un riferimento di tensione si trova a lavorare in questa condizione privilegiata. Variazioni repentine del carico possono generare transitori sulla tensione dovuti all’impedenza di uscita. L’impedenza di uscita, inoltre, aumenta con la frequenza e per questo motivo è bene prevedere un condensatore di filtro per assorbire le variazioni veloci. In questo caso il condensatore va posto in prossimità del carico.

RIFERIMENTI DI TENSIONE PER APPLICAZIONI DI PRECISIONE

Analog Devices ha recentemente introdotto la famiglia ADR45xx di riferimenti di tensione, che offre la migliore combinazione in termini di basso rumore, tolleranza iniziale, basso coefficiente di temperatura ed eccellente stabilità a lungo termine. Di seguito si riassumono quelle che sono le caratteristiche salienti:

  • Valori Iniziali: 2.048 V, 2.500 V, 3.000 V, 3.300 V, 4.096 V, 5.000 V;
  • Tolleranza sul Valore Iniziale: 0.02 % max;
  • Coefficiente di Temperatura: 2 ppm/°C max;
  • Rumore di uscita(0.1 Hz ÷ 10 Hz): <1 Vpp;
  • Tensione di Ingresso: 3 V ÷ 15 V;
  • Range di Temperatura: -40 °C ÷ +125 °C;
  • Quiescent Current: 950 A max;
  • Basso Drop out: 300 mV @ 2mA.

Le applicazioni sono le più svariate, tra cui strumentazione di precisione con convertitori ad elevata risoluzione, sistemi di acquisizione dati, controllo di processo, monitoraggio delle batterie per veicoli elettrici. Per una descrizione più dettagliata consultare il datasheet su www.analog.com/ADR4520.

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