Меню

Выходное напряжение инструментального усилителя

Датчик + инструментальный усилитель с нулевым дрейфом = отсутствие искажений

Первичные измерительные датчики обычно применяются для преобразования изменений некоторой физической величины в изменение электронных параметров датчика, таких как сопротивление или емкость, которые в дальнейшем считываются при помощи мостовых схем. На выходе мостовой схемы получаем сигнал (напряжение или ток), а измерение соотношений (ratiometric) позволяет измерительной системе компенсировать изменения температуры и напряжения питания. В качестве примера первичных датчиков можно привести:

  • Термисторы для температурных измерений;
  • Резистивные/емкостные тензодатчики для измерения давления;
  • Магнито-резистивные датчики для определения направления или положения.

Существует также ряд применений датчиков, в которых важно непосредственное измерение напряжения или тока. Примерами могут служить термопары, медицинские датчики ЭКГ, напряжение на измерительном резисторе в схемах мониторинга питания.

Сфера применения различных датчиков на сегодняшний день достаточно велика, это и бытовая аппаратура (термометры, тонометры, системы GPS), и автомобильное оборудование (датчики топлива, датчики удара, тормозные датчики, датчики положения окон), промышленные и медицинские приборы (датчики положения клапанов, системы контроля температуры, ЭКГ). Датчики работают в условиях электромагнитных помех, сетевых помех, сигнальных помех по питанию и контурам заземления, электростатических разрядов. Как правило, полезный сигнал имеет относительно небольшой уровень. Таким образом, взаимодействие с аналоговыми датчиками является вещью нетривиальной, и, более того, необходимо соблюдение вполне определенных спецификаций, характерных для данной области применения. Для коммерческого успеха средства обработки сигналов с датчиков должны иметь низкую стоимость, небольшие размеры и, в случае устройств с автономным питанием, иметь малое энергопотребление.

Усиливать или не усиливать?

Чаще всего разработчики систем стремятся сократить количество аналоговых сигнальных линий в надежде уменьшить влияние внешних шумов. (Цифровые сигналы в общем случае более устойчивы к влиянию помех). В прошлом длинные аналоговые линии приводили к необходимости последующей обработки сигнала в несколько стадий. Одна стадия, например, включала в себя усиление разностной составляющей сигнала без подавления синфазных помех, другая, наоборот, обеспечивала подавление помех без усиления. Применение двуполярных и высоковольтных источников питания в аналоговых схемах помогало улучшить соотношение «сигнал-шум». Требования к сокращению длины аналоговых линий и использования низковольтового питания для аналоговых схем подстегнуло эволюцию архитектур усилителей для решения этих проблем.

На начальном этапе проектирования часто возникает вопрос: могут ли аналоговый датчик и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) работать напрямую — т.е. без предварительной обработки или усиления сигнала. Такое решение в некоторых случаях позволяет сэкономить не только место на печатной плате, но и потребляемую энергию. К примеру, высокоомные резистивные мостовые схемы вполне могут использовать для своего питания встроенные в АЦП источники опорного напряжения, исключая необходимость подключения внешнего источника.

С другой стороны, применение инструментального усилителя перед подачей сигнала на АЦП может дать следующие преимущества:

  • Усиление сигнала непосредственно близ его источника улучшает общее отношение «сигнал-шум» в большинстве приложений, особенно если датчик находится от АЦП на некотором расстоянии;
  • Входное сопротивление многих высокопроизводительных АЦП относительно невелико, что требует применения на входе АЦП усилителя с низким выходным сопротивлением для уменьшения потерь и искажений сигнала (вотсутствии усилителя резкие перепады сигнального тока или несогласование сопротивлений может внести существенные искажения в общую картину);
  • Внешний усилитель позволяет оптимизировать сигнал, например, при помощи фильтрации;
  • Применение инструментального усилителя для интерфейса между датчиком и АЦП может уменьшить общую стоимость системы (для неусиленного сигнала может потребоваться более дорогое АЦП с большим разрешением, особенно если необходимо сохранение высокого быстродействия).

Проблема напряжения смещения нуля на входе

Школьные учебники сильны в описании идеального мира. Все неизвестные в уравнении могут быть найдены, на каждый вопрос найдется ответ. В реальном же мире, чтобы заставить работать аналоговую схему, необходимо провести не один час в лаборатории, в то время как простое и быстрое решение проблемы может находиться совсем в другой плоскости…

Среди множества постоянных ошибок, возникающих при использовании ИУ для усиления сигнала, эффект входного смещения (Uсм) наиболее критичен. Фактически, любая постоянная ошибка может быть смоделирована в терминах Uсм:

  • Ксс (коэффициент подавления синфазного сигнала- DC CMRR ) может быть представлен как изменение напряжения смещения при подаче синфазного сигнала;
  • Кип (коэффициент подавления изменения напряжения питания- DC PSRR)- может быть представлен как изменение напряжения смещения при изменении напряжения питания.

Даже если Uсм тарировано при изготовлении усилителя, его дрейф (температурный и временной) может быть большей проблемой, чем его начальный уровень сам по себе. Такой дрейф лучше всего компенсировать при помощи некоторых активных схем, интегрированных в микросхему.

Читайте также:  Организационно технические мероприятия обеспечивающие безопасность работ со снятием напряжения

Один из наиболее важных источников динамической ошибки в схемах (кроме внешних факторов) — это шум, зависящий от схемных решений производителя и особенностей технологического процесса. Поскольку в основном сигнал датчика усиливается блоком с высоким коэффициентом усиления, величина входного шума увеличивается соответственно. В основном шум представлен двумя формами: «розовый» шум (иначе называемый шум 1/f) и «белый» шум.

Розовый шум наиболее критичен на низких частотах (

Источник

Инструментальный усилитель компенсирует напряжение смещения системы при работе от одного источника питания

Инструментальный усилитель, работающий от одного источника питания, позволяет вам компенсировать напряжение смещения системы подачей положительного корректирующего напряжения на вход VREF.

Многие интегральные инструментальные усилители имеют архитектуру обеспечивающую компенсацию смещения. Опорное напряжение вывода, VREF, добавляется в фазе к выходному напряжению для получения единичного коэффициента. В результате, вы можете скомпенсировать напряжение смещения выхода подав на вход VREF корректирующее напряжение равное по амплитуде но противоположное по фазе с напряжением смещения.

Если инструментальный усилитель работает от двуполярного источника питания, вы легко можете обеспечить подачу и положительного и отрицательного корректирующего напряжения. В то же время, некоторые инструментальные усилители работают от однополярного питания – например в приложениях с питанием от батарей – и используются для усиления сигналов, от источников напряжения или датчиков, имеющих положительное напряжение смещения.

Датчики, например такие как

компании Analog Devices, вырабатывают выходной ток пропорциональный абсолютной температуре, и вам необходимо калибровать его при нижней опорной температуре. В этом случае, размах выходного сигнала инструментального усилителя уменьшается, особенно при большом коэффициенте усиления. Для предотвращения этого эффекта, вы должны подать отрицательное напряжение коррекции, которое должны получить от положительного источника питания. В прецизионных приложениях, использование такого напряжения может вызвать затруднения.

Эта дизайн-идея показывает, как сделать инструментальный усилитель, работающий от одного источника питания, который позволит вам компенсировать напряжение смещения системы подачей положительного корректирующего напряжения на вход VREF. В схеме приведенной на рис.1 используется сдвоенный прецизионный операционный усилитель OPA2333 компании Texas Instruments. Этот операционный усилитель может работать с напряжением питания от 1.8 до 5.5 В и использует собственную технологию автокалибровки, для одновременного получения величины максимального напряжения смещения 10 мкВ и близкого к нулевому температурного и временного дрейфа.

Усилитель имеет высокоомные входы, которые выдерживают напряжение синфазного сигнала на 100 мВ превосходящее уровни питания микросхемы и обеспечивает размах выходного напряжения всего на 50 мВ меньший уровней питания. Использование данных свойств на схеме приведенной на рис.1, приводит к следующему выражению:

Для обеспечения равного усиления для обоих входов VB и VA , резисторы R2, R3, R4, и R5 должны иметь одинаковый номинал в два раза больший номинала резистора R1. При использовании резисторов с номиналами приведенными на рис.1, вы получаете следующее упрощенное выражение:

Коэффициент дифференциального усиления схемы составляет 3+(92.8 кОм/RG), и добавляемое опорное напряжение инвертируется совместно с выходным сигналом. Резистор RG определяет величину усиления, если вы его не подключите, схема будет иметь минимальную величину усиления равную трем: уменьшение номинала резистора RG до 93 Ом увеличивает коэффициент усиления до 1000.

Для сохранения хорошего значения CMRR (коэффициент ослабления синфазного сигнала) цепь подключенная ко входу VREF должна иметь низкий импеданс; в противном случае, вы должны использовать буфер на операционном усилителе для увеличения параметра CMRR, который в основном зависит от точности подгонки резисторов. В данной схеме, для сохранения приемлемого уровня CMRR, вы должны использовать прецизионные пленочные резисторы.

Анализируя схему, вы можете вычислить худший случай параметра CMRR на низкой частоте. При R2, R3, R4, и R5 имеющих одинаковые номиналы равные удвоенному номиналу R1 и всех остальных резисторах имеющих одинаковый допуск вы получите:

где — это допуск резисторов. При использовании резисторов с допуском 0.1% и минимальном дифференциальном усилении, равном трем, вы получите величину CMRR как минимум 54 дБ. При дифференциальном усилении равном 100, вы получаете величину параметра как минимум 84 дБ. Вход VREF уменьшает смещение системы для понижения нижнего порога размаха выходного напряжения, но не исключает его полностью, так как в этом случае, выходное напряжение должно иметь возможность достигать величины земляного потенциала источника питания. Если же вам, тем не менее, необходимо убрать смещение выхода полностью, вы должны вычесть эту величину с помощью АЦП с дифференциальными входами.

Читайте также:  В сети переменного тока частота действующее значение напряжения

Источник

INA333 – инструментальный усилитель с нулевым дрейфом

Инструментальный усилитель (ИУ) предназначен для задач, требующих прецизионного усиления с высокой точностью передачи сигнала, а также для работы с различными датчиками благодаря высокому входному сопротивлению, низкому значению напряжения смещения в широком диапазоне температуры работы, точности передачи сигнала и высокой степени подавления синфазных помех. ИУ относится к классу операционных усилителей с одним принципиальным отличием, связанным с работой исключительно с замкнутыми линейными цепями обратных связей (ОС).

Появление схем инструментальных усилителей было обусловлено стремлением устранить недостатки дифференциальных усилителей (ДУ), построенных на основе классических ОУ. Главный недостаток ДУ — зависимость коэффициента усиления от сопротивления источника сигнала. Благодаря наличию двух дополнительных ОУ перед ДУ удалось достигнуть очень высокого входного сопротивления инструментального усилителя (рис. 1).

Рис. 1. Структурная схема классического инструментального усилителя

Более того, такая схема построения позволяет управлять коэффициентом усиления с помощью одного единственного резистора RKu, при этом отсутствует его влияние на входное сопротивление ИУ.

Изначально серия инструментальных усилителей INA была разработана и производилась компанией Burr-Brown, но впоследствии была полностью выкуплена компанией Texas Instruments. На данный момент TI не только продолжает производить ИУ, но и занимается активной разработкой новых изделий, добиваясь улучшения их характеристик и параметров (табл. 1).

Таблица 1. Краткие параметры и характеристики серии инструментальных усилителей Texas Instruments

Наиме-
нование
Коэфф.
уси-
ления
Коэфф.
подав-
ления
син-
фазных
помех,
дБ
Дрейф
вход-
ного
напря-
жения
сме-
щения,
мкВ/°C
Коэфф.
нелиней-
ности
в рабочей
полосе
частот,
%
Макси-
маль-
ный
ток
утечки
по
входу
Частот-
ный
диапа-
зон
(при
G = 100),
кГц
Уро-
вень
спект-
раль-
ного
шума
по
входу,
нВ/√Гц
Мини-
маль-
ное
напря-
жение
пита-
ния,
В
Макси-
маль-
ное
напря-
жение
пита-
ния,
В
Соб-
ствен-
ный
ток
потреб-
ления,
мА
INA101 1…1000 106 0,002 25 ±5 ±20 6,7
INA110 1, 10, 100, 1000 106 2 0,01 50 пА 470 10 ±6 ±18 3,0
INA111 1…1000 106 5 0,005 20 пА 450 10 ±6 ±18 3,3
INA114 1…10000 110 0,25 0,002 2 нА 10 11 ±2,25 ±18 2,2
INA115 1…10000 110 0,25 0,002 2 нА 10 11 ±2,25 ±18 2,2
INA116 1…1000 86 5 0,005 0,025 пА 70 28 ±4,5 ±18 1,0
INA121 1…10000 96 5 0,005 50 пА 50 20 ±2,25 ±18 0,450
INA126 5…10000 83 3 0,002 25 нА 9 35 ±1,35 ±18 0,175
INA128 1…10000 120 0,5 0,012 5 нА 200 8 ±2,25 ±18 700
INA129 1…10000 120 0,5 0,002 5 нА 200 8 ±2,25 ±18 700
INA131 100 110 0,25 0,002 2 нА 70 12 ±2,25 ±18 2,2
INA141 10, 100 117 0,5 0,002 5 нА 200 8 ±2,25 ±18 0,750
INA103 1…1000 100 0,004 8 мкА 1 ±9 ±25 9,0
INA163 1…10000 100 0,0006 12 мкА 1 ±4 ±18 10
INA118 1…10000 107 0,5 0,002 5 нА 70 10 ±1,35 ±18 0,350
INA122 5…10000 83 3 0,002 25 нА 5 60 ±1,1 ±18 0,060
INA125 1…10000 100 2 0,012 25 нА 4,5 38 ±1,35 ±18 0,460
INA155 10, 50 78 15 0,05 50 пА 110 38 2,7 5,5 1,7
INA2126 5…10000 83 3 0,012 25 нА 9 35 ±1,35 ±18 0,175
INA2331 5…1000 90 5 0,1 10 пА 2000 46 2,5 5,5 0,415
INA2332 5…1000 60 0,4 10 пА 500 46 2,5 5,5 0,415
INA321 5…1000 90 7 0,01 10 пА 50 100 2,5 5,5 0,040
INA322 5…1000 60 7 0,01 10 пА 50 100 2,5 5,5 0,040
INA326 0,1…10000 100 0,4 0,01 2 нА 1 33 2,7 5,5 2,4
INA327 0,1…10000 100 0,4 0,01 2 нА 1 33 2,7 5,5 2,4
INA331 5…1000 90 5 0,1 10 пА 2000 46 2,5 5,5 0,415
INA332 5…1000 60 5 0,4 10 пА 500 46 2,5 5,5 0,415
INA333 1…1000 100 0,1 0,001 0,2 нА 3,5 50 1,8 5,5 0,050
INA337 0,1…1000 106 0,4 0,01 2 нА 1 33 2,7 5,5 2,4
INA338 0,1…1000 106 0,4 0,01 2 нА 1 33 2,7 5,5 2,4

Теперь можно вернуться непосредственно к теме статьи — обзору нового инструментального усилителя INA333. Согласно рекламным анонсам самого производителя, новый ИУ обладает впечатляющим соотношением сигнал-шум, очень низким дрейфом напряжением по входу, способностью работать от источников с низким напряжением (от 1,8 В). Сверхнизкий собственный ток потребления — до 50 мкА — практически определяет область применения INA333: различные прецизионные приложения с низким энергопотреблением, например, портативная медицинская аппаратура, системы сбора данных, электронные весы и переносные измерительные приборы. Внутренняя структурная схема INA333 (рис. 2) построена на основе классической архитектуры из 3-х ОУ (рис. 1), дополненной рядом новых и очень полезных узлов.

Читайте также:  Недостатки импульсного стабилизатора напряжения

Рис. 2. Структурная схема инструментального усилителя INA333

INA333 является в своем роде уникальным инструментальным усилителем, в основном благодаря необычному сочетанию таких «противоречивых» характеристик, как, например, низкий уровень спектрального шума по входу (0,05 мкВ/√Гц в полосе 10…1000 Гц) и сверхмалый собственный ток потребления (максимум до 80 мкА во всем диапазоне температуры работы). А достижение таких параметров, как беспрецедентно низкий ток утечки по входу (200 пА) и практически полностью отсутствующий дрейф напряжения по входу (0,1 мкВ/°С) в очень широком диапазоне температуры работы (-40…125°С) стало возможным благодаря инновационным разработкам инженеров компании Texas Instruments. Например, технология автокоррекции напряжения смещения по входу встроена в каждый из трех внутренних ОУ в виде законченных узлов. Для сохранения стабильности в процессе работы автокалибровка выполняется каждые 8 мкс. Более того, после подачи питания в течение примерно 100 мкс производится автокалибровка цепей обратной связи, что также положительно сказывается на стабильности рабочих характеристик микросхемы.

Узел режекторного фильтра на переключаемых конденсаторах, включенного на входе, позволяет значительно уменьшить шум напряжения по входу до 50 нВ/√Гц, А специальные ВЧ-фильтры, включенные на все четыре входа INA333, в значительной степени уменьшают влияние внешних радиочастотных помех. Такое решение способно существенно понизить чувствительность к изменениям напряжения смещения, вызванным радиочастотным полем, что может оказаться важным преимуществом в применениях, требующих стабильности постоянного тока, например, в электронных весах.

Расчет внешних цепей INA333, как и всех других ИУ, построенных по схеме 3-х ОУ, сводится лишь к вычислению сопротивления резистора Rg (табл. 2), определяющего коэффициент усиления микросхемы, по очень простой формуле:

где Ku — коэффициент усиления по напряжению (G в англоязычной терминологии).

Таблица 2. Зависимость сопротивления внешнего резистора Rg от требуемого коэффициента усиления для INA333

Коэффициент
усиления по напряжению
Расчетное
сопротивление
внешнего резистора Rg
Ближайшее подходящее
сопротивление
резистора Rg, кОм (1%)
1
2 100 кОм 100 кОм
5 25 кОм 24,9 кОм
10 11,1 кОм 11 кОм
20 5,26 кОм 5,23 кОм
50 2,04 кОм 2,05 кОм
100 1,01 кОм 1 кОм
200 502,5 Ом 499 Ом
500 200,4 Ом 200 Ом
1000 100,1 Ом 100 Ом

Стоит отметить, что инструментальный усилитель INA333 подвержен тем же «болезням», что и другие ИУ. Например, ввиду очень высокого входного сопротивления (100 ГОм) микросхемы, при работе с любыми источниками сигнала, не имеющими непосредственной электрической связи с выводом REF (разумеется, кроме естественной емкостной связи), возможна такая ситуация, когда на обоих входах +IN и -IN возникнет постоянная составляющая, равная или превышающая напряжение питания INA333. В результате этого схема теряет работоспособность. Другими словами, необходима «подтяжка» обоих входов +IN и -IN (высокоомный источник сигнала) или любого из этих входов (низкоомный источник) к выводу REF (рис. 3).

Рис. 3. Типовые схемы подключения INA333 к различным источникам сигнала

Кстати, грамотное использование вывода REF позволяет значительно сократить число внешних компонентов схемы. Пример — использование INA333 в качестве буферного усилителя двуполярного сигнала, который в дальнейшем предполагается оцифровывать подходящим АЦП с однополярным питанием. В этом случае необходим «сдвиг» выходного сигнала в диапазон работы АЦП. Т.е. для этого достаточно подать на вход REF половину напряжения опорного источника АЦП (например, недорогой LT1004-2.5 от TI), предварительно буферизированного любым подходящим ОУ (например, популярный 1/2 OPA2333 от TI).

Отдельно стоит осветить питание INA333. Как было сказано выше, новый ИУ имеет возможность работы как от однополярных (+1,8…5,5 В) так и от двуполярных источников питания (±0,9…±2,75 В) с очень малым током потребления 50 мкА (при Uпит = 1,8 В). Таким образом, основная область применения INA333 — устройства с батарейным питанием. А учитывая малые размеры корпусов, в которых поставляется микросхема (MSOP-8 и DFN-8), область применения распространяется и на малогабаритные устройства. Например, переносные измерительные приборы, умещающиеся на ладони. На рис. 4 изображено одно из применений INA333 — электрокардиограф.

Рис. 4. Использование INA333 в составе электрокардиографа

Источник

Adblock
detector