Ремонт принтеров, сканнеров, факсов и остальной офисной техники


назад Оглавление вперед




[0]

Резисторные и термопарные погрешности в высокоточных системах

Мы продолжаем публикацию переводных материалов из учебника "Practical Design Techniques For Sensor Signal Conditioning", подготовленного специалистами Analog Devices. Предлагаемая статья относится к десятой главе книги "Hardware Design Techniques" (дословно перевести довольно сложно, ближе всего по смыслу, пожалуй, "Особенности реализации аппаратной части устройства"- ред.)

ПИП. 1 I/

очность пезиптопов является одним из пешающих фактопов в создании ппецизионных систем. На Пис. 1 изобпажен неинвептипущий усилитель, в котопом коэффициент усиления 100 задается отношением внешних пези-стопов R1 и R2. Непавенство темпепатуп-ных коэффициентов этих двух пезисто-пов является очевидным источником ошибки. Ппедположим, что собственные погрешности опепационных усилителей незначительны, и что пезистопы точно подобпаны ппи темпепатупе +25°С. Если темпепатупные коэффициенты пезисто-пов отличаются хотя бы на 25 ррт/°С, коэффициент усиления усилителя изменится до 250 ппи изменении темпе-патупы на 10°С. Это около 1 МЗР в 12-битной системе, и весьма сепьезная ппоблема для 16-битной системы.

Даже если темпепатупные коэффициенты идентичны, возможны существенные пофешности. Ппедположим, R1 и R2 имеют идентичные темпепатупные коэффициенты +25 ppm/°C, и оба они четвептьваттные. Если входной сигнал на пис. 2 павен нулю, то пезистопы не будут пассеи-вать тепло. Но если наппяжение на входе составляет 100 мВ, то к пезис-кфу R1 будет ппиложено 9,9 В, и на нем будет пассеиваться 9,9 мВт, вследствие чего его темпепатупа воз-пастет на 1,24°С (темпепатупное со-ппотивление четвептьваттного пезис-топа - 125°С/Вт). Рост на 1,24°С вызывает изменение соппотивления на 31 ppm, и соответственное изменение коэффициента усиления. R2, к котопому ппиложено 100 мВ, нафева-ется только на 0,0125°С, что является незначительным. Изменение коэффициента усиления на 31 ppm создает пофешность в 0,5 МЗР у 14-битной системы,и совепшенно неппиемлемо для 16-битной.

Этих и подобных ошибок удается избежать, подбипая для R1 и R2 наиболее подходящие номиналы соппотив-лений и темпепатупные коэффициенты, а также ппинимая мепы по вьфавниванию темпепатупы

+100mV 0-

+ G = 1+R1/R2 = 100

J>-J-<6 t10V

П R1 = 9,9k. 1/4 W

TC = +25ppm/TJ

I R2 = 100,1/4 W

I TC = *25ppm/t

Предполагается равенство ТС для R1 и R2

пезистопов, подбоп котопых очень важен. Легче всего этого достичь, ппиме-няя пезистопную сбопку в самостоятельном коппусе - такая сбопка может быть как внутпи коппуса ИС, так и сна-пужи, в виде отдельного чипа из тонкопленочных пезистопов.

Дпугой ппоблемой, связанной с пе-зистопами, является тепмоэлекфи-ческий эффект. Любое соединение пазличных пповодников является источником тепмо-ЭДС. Если в цепи имеются два соединения, мы имеем тепмопапу. Как только эти два соединения окажутся ппи пазличной темпепатупе, в цепи возникнет нескомпен-сипованная тепмо-ЭДС. Этот эффект обычно используется для измепения темпепатупы, о чем уже говопилось в пазделе, посвященном тепмодатчи-кам (см. ппедыдущие номепа жупна-ла - пед.). Однако он также является источником дополнительной пофешности ппи измепении слабых сигналов, если темпепатупы пповодников пазличны, ибо соединение двух пповодников из пазличных матепиалов всегда обпазует тепмопапу, хотим мы того или нет. Этот эффект тпудноуст-паним, даже если делать соединение медным пповодом, поскольку соединение медных пповодников, выпущен-


основы схемотехники

МАТЕРИАЛ РЕЗИСТОРА Т1 /\Т2

ВЫВОДЫ РЕЗИСТОРА

ным разными производителями, может дать термо-ЭДС вплоть до 0,2 мкВГС.

Рассмотрим модель резистора, пред-ставленую на рис. 3. Соединение между материалом резистора и проводниками формирует две термопары. Термо-ЭДС может достигать значений 400 мкВГС для угольных резисторов. В то же время существуют специально сконструированные резисторы, у которых эта термо-ЭДС крайне низка, всего 0,05 мкВ/°С [1]. Металлопленочные резисторы (RN-типов) характеризуются значением термо-ЭДС, примерно равным 20 мкВГС.

Термопарные эффекты не сказываются при работе с переменными сигналами, или когда резисторы находятся в условиях постоянства температуры, но рассеяние тепла на резисторе, равно как и его ориентация относительно источника тепла, может привести к тому, что один из его концов окажется теплее другого, и термо-ЭДС на концах окажутся разными. В итоге, он превратится в источник дополнительной ЭДС, равной разности упомянутых термо-ЭДС, и это приведет к ошибкам в системе, работающей на постоянном токе. Например, если мы используем обычные металлопленочные резисторы, температурное изменение на 1°С вызовет нескомпенсированную термо-ЭДС величиной 20 мкВ, которое вполне сопоставимо с приведенным ко входу смещением точного операционного усилителя, такого как ОР177 или AD707, и уж совершенно неприемлемо при использовании сверхвысокоточных усилителей с прерыванием (chopper-усилителей).

Рис. 4 показывает, как ориентация резистора может вызвать нескомпен-сированную термо-ЭДС. Установка резистора вертикально с целью уменьшить занимаемую им площадь поверхности платы может привести к появлению температурного градиента вдоль его поверхности, особенно,

если он и сам рассеивает заметное количество тепла. Установка резистора параллельно плате снимает эту проблему, если вдоль его оси не проходит поток воздуха. Ориентируя ось резистора перпендикулярно воздушному потоку, можно сохранить одинаковой температуру концов резистора, сведя к нулю погрешности за счет тер-мо-ЭДС.

Рис. 5 показывает, как расположить резистор на вертикально установленной печатной плате, вдоль которой снизу вверх распространяется конвективный воздушный поток. Как и в предыдущем случае, ось сопротивления должна быть перпендикулярна конвекционному потоку, чтобы снизить нескомпенсированную термо-ЭДС. Отметим, что вследствие малых размеров резисторов для поверхностно-

го монтажа, термопарный эффект в них выражен гораздо ниже, чем у вышеупомянутых типов резисторов в традиционном исполнении с гибкими выводами, т. к. расстояние между выводами чип-резисторов около 1 мм, а на таких расстояниях перепады температуры за счет конвекции очень малы.

контакты резистор-подложка

Простая цепь, показанная на рис. 6, иллюстрирует проблему паразитных термопар. Здесь мы имеем удаленный мост, сигнал с которого усиливается инструментальным усилителем, каждый вход которого снабжен токоограничива-ющим резистором. Каждый резистор имеет 4 термопары: две находятся внутри резистора, а две там, где выводы резистора соединяются с медными проводниками. Еще одна пара термопар расположена в местах соединения медных проводников с коваровыми ножками корпуса инструментального усилителя. Соединение "медь/ковар" имеет термо-ЭДС порядка 35 мкВ/°С.

Большинство литых пластмассовых ИС используют в качестве выводов медные проводники соответствующего размера (например, инструментальный усилитель AD620).

Вдобавок, медный провод имеет коэффициент температурного сопротивления (у проводника 30-го калибра он составляет приблизительно 0,385%/ °С), который может внести погрешность, если температура проводов существенно различается или если они разной длины. В нашем случае, однако, эта погрешность несущественна, т. к. по проводам течет минимальный ток.

Очевидно, что подобная простая цепь должна быть хорошо проработана не только с точки зрения электрических сигналов, но и в плане тепловых эффектов, без чего добиться желаемой прецезионности невозможно. В этом смысле полезны сокращение числа проводников из различных материалов, минимизация термических градиентов путем правильного расположения осей резисторов относительно направления движения теплового потока или блокирование воздушного потока к компонентам с использованием металлических или пластиковых экранов, сокращение рассеиваемой мощности в чувствительных приборах, правильный отбор прецизионных резисторов и подбор числа соединений в каждом плече дифференциального сигнала, вплоть до введения так называемых "dummy" компонентов, если требуется. Розетки, соединители, выключатели или реле в сигнальных цепях могут вводить нестабильные контактные соединения, а также "неизвестные" термопарные соединения которые также могут помешать достичь требуемой точности. Поэтому их следует по возможности избегать.

Walt Kester, Walt Jung and James Bryant Перевод и обработка Александра Фрунзе и Андрея Асташкевича, alex.fru@mtu-net.ru

Литература

1.RCD Components, Inc., 520 E. Industrial Park Drive, Manchester NH, 03109, 603-669-0054, http: www.rcd-comp.com.

2.Steve Sokolov and James Wong, High-Accuracy Analog Needs More Than Op Amps, Electronic Design, Oct. 1, 1992,

3.Doug Grant and Scott Wurcer, Avoiding Passive Component Pitfalls, The Best of Analog Dialogue, Analog Devices,

1991, p. 143.

4.Brian Kerridge, Elegant Architectures Yield Precision Resistors,

EDN, July 20, 1992.



[стр.Начало]