Site Loader

Содержание

Как работает инструментальный усилитель. » Хабстаб

В одной из прошлых статей описал как, анализирую схемы, построенные на ОУ, рассматривать включение разных элементов в обратную связь — занятие малоинтересное, куча формул и ничего больше, да и такого добра хватает в интернете. На мой взгляд, более интересно будет рассмотреть классическую схему инструментального усилителя, а если быть точным мы выведем её с помощью логических рассуждений. Кстати, если кто не знает инструментальный усилитель предназначен в основном для прецизионного усиления с высокой точностью передачи сигнала.

В основе схемы инструментального усилителя лежит схема дифференциального усилителя и выглядит она так.


Из названия становится понятно, что такая схема усиливает разность сигналов, поступающих на прямой и инвертирующий вход.

Предположим, что все сопротивления равны и на Vin1 поступает 10, а на Vin2 12 вольт. Так как R3 = R4 к прямому входу будет приложена половина Vin2 — 6 вольт.


Так как в схеме присутствует отрицательная обратная связь(ООС), то напряжение на прямом и инверсном входе будут равны. Идём дальше, падение напряжения на R1 равно 4 вольтам и такое же напряжение падает на R2(так как R1 = R2 и соединены последовательно), тогда напряжение на выходе ОУ будет равно 2 вольтам, что соответствует разности входных напряжений. Результат говорит о том, что мы не усилили разность сигналов, зато убедились в том, что эта схема даёт её на выходе.

Для того чтобы усилить сигнал на выходе, полагаем что резисторы не равны и тут придётся немного посчитать.


Ток текущий через R1 и R2 можно найти следующим образом

Напряжение на прямом входе равно

Так как в схеме присутствует обратная связь Va = Vb, подставляем полученное выражение в формулу для тока вместо Va. Далее, формулу для нахождения тока подставляем в первое выражение и получаем.

Выражаем Vout

Если R1 = R3 и R2 = R4 то

Из последней формулы становится понятно, что коэффициент усиления задаётся с помощью пар резисторов R2,R4 и R1,R3.

Но у этой схемы есть несколько недостатков, один из которых, малое входное сопротивление, второй — то что входные сопротивления отличаются. Отличие входных сопротивлений приводит к смещению нуля, то есть даже при одинаковых постоянных напряжениях Vin1 и Vin2, через резисторы R1,R2 и R3,R4 будут течь разные токи, соответственно напряжения в точках Va и Vb будут отличаться.

Устранить эти недостатки можно, включив последовательно со входами буфер, построенный на ОУ.


Надо отметить что, номиналы сопротивлений в обвязке дифференциального усилителя должны быть подобраны очень точно.
И у нас снова возникает задача усилить сигнал, для этого необходимо добавить несколько резисторов как показано на схеме ниже, кстати, в реальном инструментальном усилителе все резисторы располагаются в корпусе самого инструментального усилителя, за исключением Rg, он позволяет задать нужный коэффициент усиления.

Осталось самое интересное — вывод формулы, для последней схемы.
Поскольку в буферах используется ООС напряжения на прямом и инвертирующем входе стремятся сравняться, тогда падение напряжения на Rg будет равно.

Этот же ток потечёт через резисторы R5 и создаст на них падение напряжения.


Выше было показано, что в случае равенства номиналов резисторов R1-R4, Vout = Va — Vb. На этом расчёт окончен, как видно, с помощью простых правил, можно анализировать и рассчитывать интересные схемы.

INA333 – инструментальный усилитель с нулевым дрейфом

22 января 2009

 

 

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.

 

 

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

 

Получение технической информации, заказ образцов, поставка —
e-mail: [email protected]

•••

Наши информационные каналы

Измерительный (инструментальный) усилитель

Добавлено 28 ноября 2018 в 05:54

Сохранить или поделиться

Что такое измерительный (инструментальный) усилитель?

Измерительный усилитель (или инструментальный усилитель, или электрометрический вычитатель) позволяет инженеру регулировать коэффициент усиления схемы усилителя без изменения значения более одного резистора. Сравните это с дифференциальным усилителем, который мы рассмотрели ранее, и который требует регулировки номиналов нескольких резисторов.

Приведем так называемый измерительный усилитель, построенный на базе последней версии дифференциального усилителя:

Схема измерительного усилителя

Анализ схемы измерительного (инструментального) усилителя

Эта устрашающая схема построена из буферизированного дифференциального усилителя с тремя новыми резисторами, соединяющими две буферные цепи вместе. Предполагаем, что все резисторы, кроме Rусил, имеют одинаковые номиналы,

Отрицательная обратная связь верхнего левого операционного усилителя приводит к тому, что напряжение в точке 1 (верхняя часть Rусил) будет равно V1. Аналогично, напряжение в точке 2 (нижняя часть Rусил) удерживается на значении, равном V2. Это устанавливает падение напряжения на Rусил, равное разности напряжений между V1 и V2. Это падение напряжения вызывает ток через Rусил, и поскольку петли обратной связи двух входных операционных усилителей не потребляют ток, то такая же величина тока, как через Rусил, должна проходить и через два резистора «R» выше и ниже Rусил.

Это вызывает падение напряжения между точками 3 и 4, равное:

\[V_{3-4}=(V_2 — V_1)(1 + {2R \over R_{усил}})\]

Обычный дифференциальный усилитель в правой части схемы затем берет это падение напряжения между точками 3 и 4 и усиливает его на коэффициент усиления 1 (предполагаем, что все резисторы «R» имеют одинаковую величину).

Преимущества измерительного (инструментального) усилителя

Хотя это выглядит громоздким способом создания дифференциального усилителя, у него есть явные преимущества: наличие чрезвычайно высоких входных импедансов на входах V1 и V2 (потому что они подключаются прямо к неинвертирующим входам соответствующих операционных усилителей) и регулируемый коэффициент усиления, который может быть установлен с помощью одного резистора.

Немного преобразовав приведенную выше формулу, мы получим общее выражение для общего коэффициента усиления по напряжению измерительного усилителя:

\[A_V = \left( 1 + {2R \over R_{усил}} \right)\]

Хотя, если посмотреть на схему, это может быть не очевидно, но мы можем изменить дифференциальный коэффициент усиления измерительного усилителя просто путем изменения значения одного резистора: Rусил.

Да, мы всё еще могли бы изменить общий коэффициент усиления, изменив значения нескольких других резисторов, но, чтобы схема оставалась симметричной, потребовалось бы сбалансированное изменение значений резисторов. Обратите внимание, что наименьший возможный коэффициент усиления для приведенной выше схемы получается при полностью разорванном Rусил (бесконечное сопротивление), и это значение коэффициента усиления равно 1.

Резюме

  • Измерительный усилитель представляет собой схему дифференциального усилителя на операционных усилителях, обеспечивающую высокие входные импедансы с простой регулировкой коэффициента усиления путем изменения одного резистора.

Оригинал статьи:

Теги

Измерительный усилительИнструментальный усилительКоэффициент усиления по напряжениюОбучениеОУ (операционный усилитель)Электроника

Сохранить или поделиться

Три — это много для инструментальных усилителей — Компоненты и технологии

Инструментальные усилители на базе трех операционных усилителей (ОУ) в течение долгого времени были отраслевым стандартом в прецизионных схемах, где требуется высокий коэффициент усиления или коэффициент подавления синфазного сигнала. Однако этим усилителям свойственны серьезные ограничения при работе от шины питания с одним источником, что необходимо во многих современных приложениях. В данной статье рассматриваются ограничения обычной архитектуры инструментальных усилителей с тремя ОУ и описывается разработанная и запатентованная компанией Maxim архитектура с косвенной обратной связью по току, обеспечивающая определенные преимущества при питании инструментальных усилителей от одного источника. Подробный анализ подкрепляется лабораторными осциллограммами.

Применение инструментальных усилителей

Инструментальные усилители используются для усиления малых дифференциальных напряжений в присутствии больших синфазных напряжений, обеспечивая при этом высокий входной импеданс. Это свойство сделало их привлекательными для применения в различных схемах, таких как мостовые интерфейсы тензодатчиков для измерения давления и температуры, датчиков температуры на базе термопар и различных сильно- и слаботочных схем измерения тока.

Инструментальные усилители на базе трех ОУ

Классический инструментальный усилитель на базе трех ОУ (рис. 1) обеспечивает великолепное подавление синфазного сигнала и точную установку дифференциального коэффициента усиления посредством одного резистора. В основе данной архитектуры лежит двухкаскадная конфигурация: первый каскад обеспечивает единичное усиление синфазного сигнала и все (или почти все) дифференциальное усиление, а второй каскад обеспечивает единичное (или малое) дифференциальное усиление и все подавление синфазного сигнала (рис. 2).

Выходной сигнал большинства современных низковольтных усилителей имеет размах, равный напряжению питания (выход rail-to-rail), однако для входных сигналов это не обязательно так. Рассмотрим, тем не менее, работающий от одного источника питания (VCC) инструментальный усилитель на базе трех ОУ с чрезвычайно высоким коэффициентом усиления и входом и выходом rail-torail, аналогичный изображенному на рис. 1.

Чтобы VOUT1 и VOUT2 не достигали уровней шин питания, необходимо обеспечить выполнение следующего неравенства:

Зачастую в схемах устанавливается VREF = 0 (для однополярных входных сигналов) или VREF = VCC/2 (для биполярных входных сигналов).

При VREF = 0 неравенство принимает следующий вид:

При VREF = VCC/2 неравенство принимает следующий вид:

Следствия из этих соотношений лучше всего пояснить на графике (рис. 3).

Серыми областями на рис. 3 обозначен диапазон синфазных входных напряжений (относительно дифференциальных входных напряжений), в котором выходы усилителей на рис. 1 (A1, A2) не будут насыщаться до уровней шин питания. Этот диапазон зависит от VOUT и VREF. Поскольку разность VOUT–VREF — это просто усиленное дифференциальное входное напряжение, допустимый диапазон синфазных входных напряжений меняется в зависимости от дифференциального входного напряжения.

На практике, разумеется, лучше всего по максимуму использовать усиление цепи, то есть максимальное выходное напряжение (VOUT) должно достигаться при максимальном расчетном дифференциальном напряжении на входе. Черными областями на рис. 4 обозначен диапазон синфазных входных напряжений, при которых инструментальный усилитель усиливает максимальное дифференциальное входное напряжение (то есть при максимальном дифференциальном входном напряжении), так что VOUT = 0 или VOUT = VCC.

Как можно видеть, в обоих случаях синфазное входное напряжение существенно ограничено. В частности:

  • Если требуется полностью усилить однополярный дифференциальный входной сигнал (устанавливая VREF = 0 и получая диапазон выходных напряжений от 0 до VCC), наряду с сигналом должно присутствовать синфазное напряжение, равное 1/2VCC. При любом другом синфазном напряжении размах выходного напряжения не достигнет VCC (максимальное дифференциальное входное напряжение уменьшится). Для биполярных дифференциальных входных сигналов (VREF = 1/2VCC) соответствующий диапазон синфазных напряжений, в котором можно достичь размаха выходного напряжения от 0 до VCC, составляет всего от 1/4VCC до 3/4VCC.
  • В обоих случаях, если бы синфазное напряжение равнялось напряжению «земли» (0 В) или было близким к нему, то усилитель потерял бы способность усиливать дифференциальные напряжения. Поэтому, предполагая, что (желательные) дифференциальные входные напряжения не связаны с (нежелательными) синфазными входными напряжениями, можно заключить, что черные области представляют минимальные и максимальные расчетные значения VCM, при которых сохраняется весь диапазон VOUT. За пределами этой области некоторые сочетания VDIFF и VCM могут привести к недопустимым значениям VCM. Обратите внимание, что в случае, изображенном на рис. 4a, если требуется изменение VCM во всем диапазоне, допуск по синфазному входному напряжению равен нулю. Проще говоря, синфазные изменения входного сигнала недопустимы.

В силу вышесказанного инструментальные усилители на базе трех ОУ находят лишь ограниченное применение в системах с одним источником питания. В продолжение беседы нелишним будет ответить на два вопроса:

  1. Что произойдет, если внутренние усилители (A1 и A2) насытятся до уровней шин питания?
  2. Каковы следствия для архитектур с диапазоном входных напряжений, меньшим напряжения питания (не rail-to-rail)?

Эффекты насыщения входного усилителя

Рассмотрим случай, когда выход усилителя A1 насыщается до уровня «земли». Иными словами, VIN+ > VIN–, и синфазное напряжение находится в области, обозначенной как X на рис. 4 (VDIFF превышает допустимое на ширину серой области).

Поскольку A1 насыщен (VOUT1 = 0), он переходит в компараторный (нелинейный) режим работы, и напряжение на его инвертирующем входе более не будет обязательно равным напряжению на неинвертирующем входе (VIN–). Усилитель A2 в этом случае действует как неинвертирующий усилитель с коэффициентом усиления, равным 1+R1/(R1+RG) для напряжений на его неинвертирующем входе (VIN+). Для усилителя с высоким коэффициентом усиления RG << R1, и поэтому усилитель A2 действует просто как неинвертирующий усилитель с коэффициентом усиления 2:

Выходное напряжение дифференциального усилителя второго каскада A3 равняется просто разности входных напряжений VOUT1 и VOUT2:

Аналогичным образом, если A2 насыщается до уровня «земли»:

Этот режим работы потенциально опасен для инструментального усилителя на базе трех ОУ. Инструментальный усилитель не только прекращает усиливать дифференциальное входное напряжение, но к тому же вместо плавного ухудшения характеристик по некоторому закону начинает усиливать синфазное входное напряжение относительно дифференциального входного напряжения. Дело усугубляется еще тем, что синфазные напряжения обычно не контролируются и, скорее всего, являются нежелательным шумом, который искажает представляющие интерес сигналы. Это серьезная проблема, поскольку инструментальный усилитель используется главным образом как раз для того, чтобы устранить такой шум.

Следствия для архитектур с диапазоном входных напряжений, меньшим напряжения питания

Как уже отмечалось, большинство усилителей имеют выход rail-to-rail, но для входных сигналов это не так. Для прецизионных схем проектирование каскадов с входом rail-to-rail представляет особенно трудную задачу, поскольку переход от режима с синфазным напряжением в окрестности VCC к режиму с синфазным напряжением в окрестности напряжения «земли» не может быть идеальным: во время этого перехода между парами n— и p-типов в дифференциальном входном каскаде могут возникать напряжения смещения. Малое значение VOS и высокий коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR) — основные требования к правильно сконструированному прецизионному инструментальному усилителю. Поскольку CMRR = DVOS/DVCM, изменение VOS при изменении синфазного напряжения в переходной области значительно ухудшает номинальное значение CMRR.

Вследствие этого, у большинства прецизионных инструментальных усилителей диапазон входных напряжений обычно меньше напряжения питания, хотя напряжение отрицательной шины (0 В) все же входит в диапазон допустимых синфазных напряжений. Перестроив графики на рис. 3 с учетом рассмотренных ограничений на синфазное напряжение, можно получить графики для инструментального усилителя на базе трех ОУ, работающего от одного источника питания, с учетом входного каскада с диапазоном напряжений, меньшим напряжения питания (рис. 5).

Архитектура с косвенной обратной связью по току

Архитектура с косвенной обратной связью по току — новый подход к проектированию инструментальных усилителей, приобретший чрезвычайную популярность ввиду множества преимуществ. На рис. 6 показана реализация архитектуры с косвенной обратной связью по току в инструментальных усилителях MAX4462 и MAX4209.

Эта новая архитектура предусматривает усилитель с высоким коэффициентом усиления (C) и два усилителя тока, управляемых напряжением (A и B). Каждый из усилителей A и B преобразует входное дифференциальное напряжение в выходной ток и полностью подавляет синфазное входное напряжение. В стабильной рабочей точке усилителя выходной ток gM-каскада A равен входному току gM-каскада B. Это равенство обеспечивается обратной связью через усилитель C, которая принудительно обеспечивает равенство дифференциального напряжения на входе усилителя обратной связи B дифференциальному напряжению на входах усилителя A. Схема устанавливает определенное значение тока в цепочке выходных резисторов (равное VDIFF/R1). Этот ток также протекает через R2. Поэтому выходное напряжение на выводе OUT — это не что иное, как усиленное дифференциальное входное напряжение (G = 1+R2/R1). Далее на выходе можно установить смещение, подав произвольное опорное напряжение на вход REF, как в стандартном инструментальном усилителе с тремя ОУ.

Изобразив принцип действия компонента на блок-схеме (рис. 7) и сравнив результат с рис. 2, можно увидеть ключевое преимущество. Промежуточный сигнал в инструментальном усилителе на базе трех ОУ содержит не только усиленное дифференциальное напряжение, но и синфазное входное напряжение. В отличие от этого, в архитектуре с косвенной обратной связью по току содержится только представление дифференциального входного напряжения с небольшой задержкой. Первый каскад обеспечивает все подавление синфазного сигнала. Второй каскад обеспечивает все дифференциальное усиление и увеличивает подавление синфазного напряжения, позволяя при необходимости сместить выход на величину опорного напряжения. В итоге ограничения на синфазное входное напряжение, свойственные инструментальным усилителям на базе трех ОУ, отсутствуют как таковые в архитектуре с косвенной обратной связью по току.

С учетом ограничений на величину синфазного входного напряжения (для входного каскада с диапазоном напряжений, меньшим напряжения питания) переходные характеристики приобретают вид, похожий на графики рис. 8. Черными областями обозначен расчетный диапазон синфазных входных напряжений, в котором доступен весь диапазон выходных напряжений. Серые области представляют диапазон синфазных входных напряжений, в котором инструментальный усилитель работает так, как ожидается: напряжение на его выходе пропорционально дифференциальному входному напряжению, а синфазное входное напряжение полностью подавляется. Черная область, содержащаяся в серой области, обозначает пределы, в которых доступен весь диапазон выходных напряжений.

Экспериментальные данные

Приведенные ниже результаты экспериментов подкрепляют сделанные выводы о косвенной обратной связи по току. Рассмотрим интегральные схемы MAX4197 и MAX4209H. Обе они представляют собой инструментальные усилители с коэффициентом усиления 100. MAX4197 имеет архитектуру с тремя ОУ, а MAX4209H — архитектуру с косвенной обратной связью по току. Обе схемы имеют VCC = 5 В и VREF = 2,5 В для смещения нулевого выхода устройства.

В данном эксперименте на вход инструментального усилителя подаются сигналы двух типов.

В случае 1 используется дифференциальное напряжение частотой 1 кГц в присутствии высокого синфазного напряжения частотой 100 Гц. Ожидается, что на выходе инструментального усилителя будет присутствовать только сигнал частотой 1 кГц и не будет составляющих частотой 100 Гц. Входные сигналы можно аппроксимировать следующим образом:

  • VIN+ — синусоидальный сигнал с размахом 2 В, частотой 100 Гц и смещением 1 В;
  • (VIN+–VIN–) — синусоидальный сигнал с размахом 30 мВ, частотой 1 кГц и нулевым смещением.

В случае 2 используется дифференциальное напряжение частотой 100 Гц в присутствии высокого синфазного напряжения частотой 1 кГц. Ожидается, что на выходе инструментального усилителя будет присутствовать только сигнал частотой 100 Гц и не будет составляющих сигнала частотой 1 кГц. Входные сигналы можно аппроксимировать следующим образом:

  • VIN+ — синусоидальный сигнал с размахом 2 В, частотой 1 кГц и смещением 1 В;
  • (VIN+–VIN–) — синусоидальный сигнал с размахом 30 мВ, частотой 100 Гц и нулевым смещением.

Приведем результаты. (Канал 1 — VIN+, канал 2 — VIN–, канал 3 — выходное напряжение инструментального усилителя.)

Результаты для случая 1

На рис. 9a MAX4209H демонстрирует ожидаемый результат. MAX4197 дает ожидаемый результат только в том случае, если синфазное напряжение значительно превышает напряжение «земли» (рис. 9б). Составляющая сигнала частотой 100 Гц явственно присутствует в выходном напряжении MAX4197.

Примечание. Обратите внимание, что составляющая VDIFF частотой 1 кГц слишком мала, чтобы быть заметной на осциллограммах каналов 1 и 2, а VCM частотой 100 Гц преобладает.

Результаты для случая 2

Опять-таки, MAX4209H демонстрирует ожидаемые результаты (рис. 10a). MAX4197 усиливает дифференциальный входной сигнал только в том случае, если синфазное напряжение значительно превышает напряжение «земли» (рис. 10б). Когда синфазное напряжение близко к напряжению «земли», оно присутствует на выходе инструментального усилителя в инвертированном или даже просто в буферизованном виде в зависимости от того, какой из усилителей A1 и A2 насыщается (как объяснялось ранее).

Примечание. Обратите внимание на составляющую VCM (как и на рис. 9) частотой 1 кГц, пробивающуюся поверх желательного выходного напряжения в инструментальных усилителях на базе трех ОУ. Архитектура с косвенной обратной связью по току сохраняет свои великолепные характеристики.

Заключение

Сегодня, в эпоху высокопроизводительной электронной техники потребители требуют не только большей производительности, но и более рациональных схем управления питанием, обеспечивающих более длительное время автономной работы и более экономное расходование энергии. В настоящее время уже идет переход к питанию аналоговых схем одним уровнем напряжения, что меняет способы проектирования и применения электронных устройств. Новаторские архитектуры, такие как архитектура с косвенной обратной связью по току, описанная в настоящей статье, превращают вчерашние мечты в сегодняшнюю реальность.

Для получения дополнительной информации обращайтесь к официальным дистрибьюторам компании Maxim в России — www.maxim-ic.ru/contact.

Разработка аппаратной части | Лаборатория Электронных Средств Обучения (ЛЭСО) СибГУТИ

Выпускная квалификационная работа. Часть 3.

3.1 Описание стенда
3.2 Инструментальный усилитель
3.3 Расчет аналогового фильтра
3.4 Масштабирующий усилитель
3.5 Аналого-цифровой преобразователь
3.6 Согласование устройства с ЭВМ
3.7 Схема питания устройства
3.8 Разработка печатной платы
3.9 Выводы

3.1 Описание стенда LESO1

Цифровой осциллограф-приставка разрабатывается на базе стенда LESO1. Стенд LESO1 является разработкой лаборатории электронных средств обучения. Лабораторный стенд предназначен для освоения студентами архитектуры и методов разработки микропроцессорных систем различного назначения. Стенд может стать основой дипломного проектирования студентов, а также базой исследовательской работы бакалавров и магистров. На базе стенда возможна разработка промышленных автоматизированных систем.

Особенности стенда LESO1:

  • программирование осуществляется через порт USB;
  • не требуется дополнительно источника питания;
  • простота реализации и программирования (все периферийные устройства подключены непосредственно к микроконтроллеру).

Программирование через USB позволяет легко программировать микроконтроллер, поскольку порт USB есть во всех компьютерах. Питание стенда осуществляется также через USB(+5В), что обеспечивает компактность и освобождает от лишних проводов. Как сказано выше, все периферийные устройства подключены непосредственно к портам ввода/вывода микроконтроллера. В данном проекте используются выводы АЦП, которые на печатной плате выведены в отдельный разъем IDC10. Стуруктурная схема учебного лабораторного стенда показана на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 – Структурная схема стенда LESO1.

3.2 Инструментальный усилитель

При измерении напряжении сигналов необходимо, чтобы входное сопротивление измерительного устройства было велико — измерительное устройство не должно влиять на параметры сигнала. В качество входной цепи обычно используют инструментальный усилитель (ИУ). Инструментальный усилитель предназначен для задач, требующих прецизионного усиления с высокой точностью передачи сигнала, а также для работы с различными датчиками сигналов благодаря высокому входному сопротивлению, низкому значению напряжения смещения, точности передачи сигнала и высокой степени подавления синфазных сигналов. Другое название инструментального усилителя – измерительный усилитель (в переводе с английского «instrumentation» означает «измерение»).

Инструментальный усилитель 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 операционном усилителе (ОУ). На рисунке показано включение ОУ в качестве ДУ.

Рисунок 3.2– Дифференциальный усилитель на ОУ.

Выходное напряжение ДУ при действии на входе сигналов UГ1, UГ2 с выходными сопротивлениями RГ1,RГ2 равно:

Из этой формулы видно, что в ДУ выходное напряжение зависит от внутренних сопротивлений генераторов. Это обстоятельство вынуждает разработчиков учитывать внутреннее сопротивление источников сигналов. Различие этих сопротивлений определит ошибку в усилении разностного сигнала, а также повлияет на значительное ухудшение подавления синфазного сигнала (СФ).

Если:

имеем:

Если на вход действует СФ UГ1=UГ2=UВХ:

Так как, Uвых=UВХ·K0СФ, то коэффициент подавления СФ сигнала КОСФ для ДУ в децибелах будет определяться как:

Из этой формулы также видно, что коэффициент подавления СФ КОСФ зависит от внутренних сопротивлений источников, поэтому следует развязать источники от ДУ. Это обеспечивается с помощью дополнительных входных ОУ с высокими значениями коэффициентов усиления. Это улучшает характеристики ДУ. Введение общего резистора, регулирующего коэффициент усиления с замкнутой ОС в данных ОУ , привело к созданию классической схемы инструментального усилителя на трех ОУ, соответственно рисунку 3.3.

Рисунок 3.3 – Инструментальный усилитель.

При действии на входах ИУ дифференциальных сигналов, сигналы обратных связей, учитывая их противоположные фазы, взаимно вычитаются в точке делящей условно резистор RKU пополам. В этой точке под действием противофазных сигналов возникает виртуальная земля. Поэтому коэффициент усиления для дифференциальных сигналов схемы ИУ запишется, как:

где Roc1,2 – сопротивления резисторов ОС входных ОУ,
RKu – сопротивление, регулирующее коэффициент усиления ИУ.

Действие входного СФ сигнала (сигнала общей помехи) приводит к тому, что сигналы по цепям ОС входных ОУ на сопротивлении RKu повторяют амплитуду и фазу данного СФ сигнала и передаются в режиме повторителя напряжения на входы выходного ОУ, включенного в качестве ДУ. Данное обстоятельство является важным достоинством схемы ИУ, так как позволяет усиливать входные дифференциальные сигналы с коэффициентом:

а синфазные сигналы передавать независимо от выбранного усиления с коэффициентом передачи равным единице. Это обеспечивает возрастание полезного сигнала на фоне СФ сигнала или отношения сигнал-помеха при увеличении коэффициента усиления ИУ. Подавление СФ сигнала обеспечивается схемой дифференциального усилителя (выходной ОУ) и соответствует соотношению 3.5 при пренебрежении сопротивлениями UГ1 UГ2, в качестве которых в данной схеме выступают выходные сопротивления входных ОУ.

Следует, отметить, что ИУ может выпускаться в интегральном исполнении в виде готовых микросхем. Но выполнение ИУ на дискретных элементах дает свободу регулирования постоянной составляющей, ограничения уровня входного сигнала. При выборе ОУ следует отталкиваться от характеристик:

  • коэффициент шума;
  • скорость нарастания сигнала;
  • Частота граничного усиления.

Коэффициент шума ОУ должен быть ниже уровня шума используемого АЦП.

Схема ИУ обеспечивает единичное усиление. Поскольку, входное напряжение можно измерять в интервале [-10В,10В], питание ОУ, на которых выполнена схема, равна 12В. Поэтому усиление входного сигнала привело бы к нелинейным искажениям. Тогда необходимо выполнение условия KU.ИУ=1. Приняв R1=R2=R3=R4=10 кОм, RОС1=RОС2=0 и RKU=10 кОм, получаем заданное условие. Тогда принципиальная схема ИУ принимает вид:

Рисунок 3.4 – Инструментальный усилитель.

Питание ОУ ±12В. В данном проекте были выбраны ОУ фирмы Texas Instrument TL084ID, поскольку данный вид микросхем широко распространен на рынке радиодеталей, одна микросхема в своем составе содержит 4 ОУ, что позволяет экономить место на печатной плате устройства. Основные характеристики микросхемы TL084ID приведены в таблицах 3.1 и 3.2.

Таблица 3.1– Электрические характеристики микросхемы TL084ID

Параметр Типовое значение Максимальное значение Единица измерения
VIO Входное напряжение смещения 3 9 мВ
αVIO Температурный коэффициент смещения 18 18 мкВ/ºC
IIO Входной ток смещения 5 100 пА
IСС Ток питания (на один ОУ) 1,4 2,8 мА
Ri Входное сопротивление 1012 1012 Ом
fГ Частота граничного усиления 3 3 МГц

 

Таблица 3.2 – Рабочие характеристики TL084ID при 25ºC

Параметр Типовое значение Единица измерения
SR Скорость нарастания выходного напряжения 13 В/мкс
tr Время восстановления сигнала 0,05 мкс
Vn Эквивалентное напряжение входного шума (на частоте 1кГц) 18 нВ/√Гц
In Эквивалентный ток входного шума (на частоте 1кГц) 0,01 пА/√Гц
THD Суммарный коэффициент гармонических искажений 0,03 %

3.3 Расчет аналогового фильтра

3.3.1 Выбор типа фильтра и обоснование

Как было сказано во второй главе ФНЧ должен иметь постоянное групповое время задержки или линейную ФЧХ в полосе пропускания сигнала, так как эти искажения наиболее слышны на слух при превышении некоторой нормы, а АЧХ можно скорректировать на оцифрованном сигнале.

Широкое применение находят такие типы фильтров как фильтры Баттерворта, Чебышева и Бесселя. Амплитудно-частотная характеристика фильтра Баттерворта имеет довольно длинный горизонтальный участок в полосе пропускания и резко спадает за частотой среза. Характеристика фильтра Чебышева спадает более круто, однако, в полосе пропускания она, не монотонна, а имеет волнообразный характер с постоянной амплитудой. При заданном порядке фильтра более резкому спаду амплитудно-частотной характеристики за час¬тотой среза соответствует большая нерав¬номерность в полосе пропускания. Оба типа фильтров имеют нелинейную фазо-частотную характеристику. Фильтр Бесселя обладает оптимальной переходной характеристикой и линейной фазовой характеристикой. Причиной этого является пропорциональность фазового сдвига выходного сигнала фильтра частоте входного сигнала. В общем случае спад амплитудной характеристики фильтра Бесселя оказывается более пологим по сравнению с фильтрами Чебышева и Баттерворта. Таким образом, остановим свой выбор на фильтре Бесселя.

Вид частотной характеристики зависит как от порядка, так и типа фильтра. Тип фильтра определяется способом представления полинома передаточной функции. В общем виде передаточная функция фильтра нижних частот может быть представлена следующим образом:

где сi – положительные действительные коэффициенты для i = 0,1,…,n, n – порядок фильтра, p = jΩ = j·f/fc – нормированная комплексная переменная. Порядок фильтра определяется максимальной степенью переменной p. Он задает асимптотический наклон амплитудно-частотной характеристики, равный n·20дБ на декаду.

Частота дискретизации АЦП равна 420кГц. Максимальная верхняя частота, которой можно ограничить сигнал по теореме Найквиста равен 210 кГц. Но для того чтоб обеспечить ослабление в 74дБ на частоте 210 кГц, нужен порядок фильтра не менее 16. Большой порядок фильтра вызывается большое групповое время задержки. Поэтому для обеспечения полосы расфильтровки и небольшого порядка фильтра зададимся частотой среза ФНЧ 100 кГц. Значит, на ослабление в 74 дБ нужно обеспечить на частоте 300 кГц. Поэтому можно ограничиться 8-порядком фильтра.

Для реализации фильтра необходимо разложить полином знаменателя на множители. Если среди корней полинома есть комплексные корни, то полином следует записать в виде произведения многочленов второго порядка [!]:

где ai,bi – положительные коэффициенты.

Тип фильтра определяют коэффициенты ai,bi. Корни полинома могут иметь сопряженные комплексные значения, что приводит к невозможности реализации такого фильтра с помощью пассивных RС-цепей. Для реализации фильтров с сопряженными комплексными корнями могут быть использованы LC-фильтры. Для высоких частот получение необходимой индуктивности не представляет затруднений. Однако для низких частот нужны большие индуктивности, которые сложны в изготовлении и обладают плохими электрическими характеристиками. Поэтому в низкочастотном диапазоне применяются активные RС-фильтры.

Обычно фильтр реализуют на фильтрах 2-го или 1-го порядка, соединенных последовательно. Тогда для реализации фильтра 8-го порядка структурная схема будет выглядеть следующим образом:

Рисунок 3.5 – Структурная схема фильтра 8-го порядка

3.3.2 Расчет элементов схемы фильтра

Существует много вариантов аппаратной реализации аналогового фильтра на ОУ. Наиболее распространенным является топология Саллена-Ки[!]. Эта топология изображена на рисунке 3.6.

Рисунок 3.6 – Схема Саллена-Ки.

Схема Саллена-Ки обладает наилучшими характеристиками: относительно небольшое количество элементов, высокая повторяемость схемы при разбросе параметров RC-цепей. Передаточная функция схемы Саллена-Ки:

Здесь:

Для каждого типа фильтра и его порядка рассчитаны эти коэффиценты. Для фильтра Бесселя 8-го порядка они имеют значение:

Таблица 3.3 – Коэффициенты фильтра Бесселя 8-го порядка

Порядок фильтра i ai bi
8 1 1,1112 0,3162
2 0,9754 0,2979
3 0,7202 0,2621
4 0,3728 0,2087

Отталкиваясь от значения конденсатора C1, C2 должно удовлетворять условию:

Тогда получаем значения резисторов R1 и R2:

  Рисунок 3.7 – Принципиальная схема фильтра

Рассчитаем значение элементов. Возьмем C1 = C3 = C5 = C 7 = 100пФ, тогда:

Округлим полученные значения до ближайших номиналов из стандартного ряда E46.

Значения резисторов:

Также округлим полученные значения к ближайшим номиналам из стандартного ряда Е48.

R1 = 10 кОм, R2 = 22 кОм, R3 = 2 кОм, R4 = 22 кОм, R5 = 4,3 кОм, R6 = 20 кОм, R7 = 2 кОм, R8 = 10 кОм.

Постороим АЧХ рассчитанного аналогового фильтра.

Рисунок 3.8 – АЧХ аналогового фильтра

Фазо-частотная характеристика фильтра:

  Рисунок 3.9 – ФЧХ аналогового фильтра

Из ФЧХ можно найти зависимость ГВЗ от частоты:

  Рисунок 3.10 – Зависимость группового времени запаздывания от частоты

Как видно из рисунков 3.8, 3.9 и 3.10, ФЧХ фильтра линейна в заданной полосе частот и имеет неравномерность в полосе пропускания до -10 дБ, которая в дальнейшем будет исправлена цифровым фильтром.

3.4 Масштабирующий усилитель

Интервал напряжений, которое можно подавать на вход АЦП на стенде LESO1 от 0 до 5В, поскольку на входе АЦП стоит делитель напряжения.

Рисунок 3.11 – Делитель на входе АЦП

Необходимо преобразовать биполярный сигнал (-10 ÷ 10 В) в униполярный (0 ÷ 5 В). Для этого применена схема сдвига уровня и масштабирования. Передаточная функция такой схемы показана на рисунке 3.12.

Рисунок 3.12 – Передаточная характеристика масштабирующего усилителя

Схема, реализующая такую передаточную характеристику показана на рисунке 3.13.

Рисунок 3.13 – Принципиальная схема согласующего усилителя

Усиление рассчитывается по формуле:

а сдвиг:

Произведем расчет. Так как Uп = ±12 В ОУ, то входное напряжение может достигать значений ±12 В. Для расчетов входное напряжение возьмем с запасом: UВХ = ±12 В. Тогда требуемый коэффициент ослабления:

Сопоставив формулы 3.17 и 3.19 получим соотношение:

Возьмем R3 = 10 кОм, тогда R1 = 48 кОм. Из ряда сопротивления Е24 ближайшее номинальное значение сопротивления R1 = 47 кОм. Получившуюся неточность можно исправить программно. Об этом в дальнейшем.

Обозначим напряжение смещения как U0:

Напряжение Uст должно быть стабильным. Поэтому его получают со стабилизатора. Есть ряд номинальных напряжений, по которому выпускаются микросхемы стабилизаторов: 1,5 В, 3,3 В, 5 В и так далее. Выберем Uст = 3,3 В.

Получившееся напряжение смещения:

Отсюда найдем U0:

Рассчитаем значение резисторов R2 и R4:

Возьмем R2 = 20 кОм, тогда R4 = 33,3 кОм. Из ряда сопротивления Е24 ближайшее номинальное значение сопротивления R1 = 33 кОм. Таким образом, получили схему:

Рисунок 3.14 – Принципиальная схема согласующего усилителя

3.5 Аналого-цифровой преобразователь

3.5.1 Общие сведения

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) — устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал). Полученный код в виде отсчетов можно сохранить, обработать, вычислить преобразование Фурье, тем самым получить спектр измеряемого сигнала.

Любой АЦП является измерительным устройством, в котором происходит сравнение с опорным напряжением. Сравнение происходит в двоичной системе счисления.

Последние десятилетия обусловлены широким внедрением в производство средств микроэлектроники и вычислительной техники, обмен информацией с которыми обеспечивается линейными аналоговыми и цифровыми преобразователями (АЦП и ЦАП).

Современный этап характеризуется АЦП и ЦАП обладающими высокими эксплуатационными параметрами: быстродействием, малыми погрешностями, многоразрядностью. Включение АЦП в устройства сильно упростило внедрение их в приборы и установки, используемые как в научных исследованиях, так и в промышленности и дало возможность быстрого обмена информацией между аналоговыми и цифровыми устройствами[!].

Микроконтроллера ADUC842, на основе которого выполнен стенд LESO1, включает в себя высококачественный мультиплексируемый АЦП с 8-мю каналами.

Блок АЦП представляет собой 8 -канальный 12-разрядный аналого-цифровой преобразователь с быстродействием 2.4 мксек и однополярным питанием. Блок включает 13-канальный мультиплексор, встроенный источник опорного напряжения, систему калибровки и собственно преобразователь последовательного типа. Блок управляется через три регистра специальных функций.

Преобразователь воспринимает входные аналоговые сигналы в диапазоне от 0 до +Uоп. Может использоваться опорное напряжение +Uоп., формируемое встроенным источником, либо подаваемое от внешнего источника. Встроенный источник опорного напряжения представляет собой прецизионную схему с низким дрейфом, откалиброванную на напряжение 2,5В.

АЦП микроконвертора ADUC842 построен по архитектуре последовательного приближения. В АЦП последовательного приближения выходные данные, соответствующие дискретному входному сигналу, формируются в конце соответствующего интервала преобразования.

Среднее потребление тока блоком АЦП примерно равно 1,6 мА при напряжении питания микроконтроллера 5 В. АЦП можно установить в режим передачи данных по каналу прямого доступа к памяти (ПДП, DMA – direct memory access), когда блок повторяет циклы преобразования и посылает выборки во внешнюю память данных, минуя процессор. Об этом режиме работы АЦП будет сказано в пятой главе. Микроконвертер ADuC842 поставляется с заводскими калибровочными коэффициентами, которые загружаются автоматически после включения питания и обеспечивают оптимальную работу устройства. Блок АЦП содержит внутренние регистры калибровок смещения (ADCOFSL, ADCOFSH) и усиления (ADCGAINL, ADCGAINH), причем программная процедура калибровки пользователя подавляет заводские установки. Это дает возможность минимизировать ошибки в конечной системе.

Результат преобразования сигнала записывается как 12-битный код. Этот результат записывается в регистры ADCDATAL и ADCDATAH. Причем, младшие 8 бит записываются в регистр ADCDATAL, а старшие 4 бита в младшие 4 бита регистра ADCDATAH. В старшие 4 бита регистра ADCDATAH записывается номер канала АЦП для дальнейшего их различения при необходимости.

Рисунок 3.15 – Формат результата преобразования АЦП.

3.5.2 Передаточная функция АЦП

В диапазоне входных напряжений АЦП от 0 до +Uоп. смена кодов происходит посередине очередного приращения, равного младшему значащему разряду LSB (1/2 LSB, 3/2 LSB, 5/2 LSB,…, (LS-3/2 ) LSB). Как уже было сказано, 1 LSB = Uоп./2N =(2,5 В)/212 = 610 мкВ. Таким образом, цифровой код представляет собой нормализованное отношение аналогового сигнала к опорному сигналу. Идеализированная передаточная характеристика показана на рисунке 3.16.

Рисунок 3.16 – Формат результата преобразования АЦП.

Как видно из рисунка 3.16, на самом деле передаточная характеристика АЦП состоит из ступеней, но при рассмотрении смещения, усиления и линейности АЦП мы рассматриваем линию, соединяющую средние точки этих отрезков.

3.6 Согласование устройства с ЭВМ

В настоящее время для подключения оборудования широко используется шина USB. Также от USB идет питание 5 В, которое используется для питания стенда LESO1 и платы-приставки.

Для реализации подключения устройств к шине USB компьютера, широкое распространение получили специализированные микросхемы и модули на их основе, которые берут на себя всю низкоуровневую обработку и предоставляют для микропроцессорной техники удобный интерфейс обмена. Микросхема FTDI встроенная в лабораторный стенд LESO1 является высокоинтегрированным переходником USB — COM позволяющая используя минимум внешних компонент (разъем и пассивные компоненты) и организовать последовательный обмен данными с шиной USB компьютера.

Для работы с программой LabVIEW необходимы драйвера, которые можно скачать с официального сайта производителя FTDI. Драйвера обеспечивают протокол обмена данными между устройствами и правильную идентификацию устройств.

Рисунок 3.17 – Окно состояния подключения стенда LESO1 к LabVIEW

При подключении любого устройства к ЭВМ ему присваивается Handle — идентификационный номер, используемый для доступа к устройству, используется в ОС Windows для уникальной идентификации объекта.

Рисунок 3.18 – Оповещение об отсутствии или неправильном подключении стенда LESO1 к LabVIEW

При неправильном подключении устройства, окно состояния прибора оповестит об отсутствии или неправильном подключении прибора.

3.7 Схема питания устройства

Интервал входного сигнала -10÷10 В. Значит напряжение питания ОУ, составляющих входную цепь должно быть не более -10 В и не менее 10 В. Возьмем с запасом напряжения питания ±12 В.

Как было сказано в предыдущем пункте, вся печатная плата питается от USB, которое может обеспечить лишь униполярное питание 5В. Для схем, которым нужно определенное напряжение питания, как в нашем случае ±12 В, причем без внешнего блока питания, применяют микросхемы DC/DC преобразования. Обычно такие микросхемы применяют в портативных устройствах и в устройствах, к которым предъявлен критерий малогабаритности.

Широко распространенными являются микросхемы серии AM1L-NZ. Они имеют широкий выбор микросхем по входному и выходному напряжений.

Свойства микросхем серии AM1L-NZ:

  • корпус для поверхностного монтажа,
  • низкий уровень пульсации напряжения и шума,
  • высокий КПД (до 83%),
  • рабочий диапазон температур от -40°С до +85°С,
  • защита от статического напряжения до 1000В,
  • совместимые выводы с другими микросхемами из той же серии (высокая повторяемость).

Наиболее подходящей микросхемой в данном случае по параметрам Uвх = 5 В и Uвых = ±12 В является AM1L-0512D-NZ.

Таблица 3.4– Основные характеристики DC/DC преобразователя

Название модели Входное напряжение, В Выходное напряжение, В Максимальный выходной ток, мА Напряжение изоляции, В КПД, %
AM1L-NZ 4,5-5,5 ±12 ±42 1000 79

Типовая схема подключения таких микросхем показана на рисунке 3.19.

Рисунок 3.19 – Типовая схема включения DC/DC преобразователя

3.8 Разработка печатной платы

Печатная плата (ПП) соединяет электронные компоненты между собой (пассивные (резисторы, конденсаторы и другие), активные компоненты, разъемы и микросхемы).Разводка проводников на печатных платах (ПП) в значительной степени влияет на параметры электромагнитной совместимости (ЭМС) как в отношении электромагнитного излучения, так и восприимчивости к электромагнитным (ЭМ) полям.

Существуют различные программы для разработки печатных плат, самым распространенным их которых является программа P-CAD. P-CAD в настоящий момент, пожалуй, самая распространенная система проектирования в России. P-CAD — это система сквозной разработки, которая позволяет вести все этапы проектирования печатных плат:

  • ввести принципиальную схему,
  • провести цифро-аналоговое моделирование проектируемого устройства,
  • разработать топологию,
  • провести анализ целостности сигналов,
  • подготовить технологические файлы,
  • подготовить конструкторскую документацию,
  • разработать собственную элементную базу.

P-CAD является модульным пакетом, то есть разноплановые операции (например, ввод принципиальной схемы и разработка топологии) выполняются в разных модулях, связанных между собой промежуточными файлами (например, список соединений).

3.8.1 Поверхности заземления и питания

Обеспечение широкого динамического диапазона с низкими шумами во враждебном окружении шумов возможно только при использовании эффективных приемов проектирования схем, включающих в себя технически грамотную трассировку сигнала, развязку и заземление.

Обеспечение низкоимпедансных заземляющих поверхностей большой площади очень важно для всех современных аналоговых схем. Заземляющая поверхность действует не только как низкоимпедансный обратный тракт для развязки высокочастотных токов, но также минимизирует электромагнитные радиочастотные помехи. Благодаря экранирующему действию заземляющей поверхности чувствительность устройства к внешним помехам также уменьшается. Таким образом, заземляющая поверхность может работать как экран, где пересекаются чувствительные сигналы.

Все выводы заземления микросхем должны соединяться с помощью пайки прямо с низкоимпедансной заземляющей поверхностью с целью минимизировать последовательную индуктивность и сопротивление.Выводы питания должны быть развязаны прямо на заземляющую поверхность с помощью низкоиндуктивных керамических конденсаторов для поверхностного монтажа (SMD). Керамические конденсаторы должны быть расположены как можно ближе к выводам питания микросхемы. Для дополнительной развязки могут также потребоваться ферритовые бусины, как в случае с DC/DC преобразователем.

Каждая печатная плата в системе должна иметь хотя бы один слой, полностью отведенный под заземляющую поверхность. В идеале двусторонняя плата должна иметь одну сторону, полностью отведенную под заземление и вторую – для различных соединений. После окончания предварительной разводки платы поверхность заземления должна быть аккуратно проверена для того, чтобы убедиться, что не осталось изолированных «островков» заземления, т.к. выводы заземления микросхем, расположенные на таких островках, не будут иметь связи с заземляющей поверхностью. Также заземляющая поверхность должна быть проверена на предмет слишком тоненьких соединений между соседними большими площадями, которые могут значительно уменьшить эффективность заземляющей поверхности.

Таким образом, основные принципы, по которым разрабатывается печатная плата:

  • элементы должны находиться не на слишком большом расстоянии для большей помехоустойчивости и обеспечения малогабаритности печатной платы,
  • использование для заземления (и питания) поверхности большой площади, чтобы обеспечить низкоимпедансный путь для возвратного тока,
  • обеспечение непересекание сигнальных и питающих печатных проводников.

3.8.2 Снижение шумов и фильтрация напряжения источника питания

Прецизионные аналоговые схемы обычно питаются от источника с хорошим линейным стабилизатором с низким уровнем шума. Однако за последние 10 лет в электронных схемах стали гораздо чаще использоваться импульсные источники (ИИП), и как следствие, они стали использоваться также для питания аналоговых схем. Причины их популярности – высокий КПД, малое повышение температуры, небольшой размер и вес.

Несмотря на эти преимущества, ИИП имеют отрицательные стороны, и самое главное – большой уровень помех на выходе. Эти помехи обычно занимают широкую полосу частот, проявляются в проводимых и излучаемых шумах, а также в нежелательных электрических и магнитных полях. Напряжение выходного шума ИИП представляет собой короткие импульсы или пики напряжения. Хотя значение частоты переключения лежит в пределах 20 кГц-1 МГц, выбросы могут содержать частотные компоненты, достигающие 100 МГц и выше.

Таблица 3.5 – Спецификация DC/DC преобразователя

Параметр Условие Значение Единица измерения
Частота переключения 100% загрузка 100 кГц
Точность напряжения   ±5 %
Точность симметрии напряжения   ±2 %
Температурный коэффициент смещения (ТКС)   ±0,3 %
Пульсации и шум на полосе 20 МГц 75 мВ

В целом, существуют 3 метода борьбы с помехами:

  • излучение источника может быть уменьшено с помощью надлежащей разводки, управления временем нарастания импульса, фильтрации и грамотного заземления,
  • пути проведения и излучения должны быть устранены посредством физического разделения и экранирования,
  • помехоустойчивость объекта воздействия может быть улучшена благодаря фильтрации сигналов и напряжения питания, контролю уровня импеданса, балансу импеданса и использованию дифференциальных технологий для подавления нежелательных синфазных сигналов.

Но можно и все три метода вместе применить при разведении ПП.

Средства понижения шума импульсного стабилизатора:

  • конденсаторы,
  • катушки индуктивности,
  • дроссели с ферритовыми бусинами,
  • резисторы,
  • линейный пост-стабилизатор,
  • надлежащее размещение и заземление,
  • физическое разделение с чувствительными аналоговыми схемами.

Из этих средств катушки индуктивности и конденсаторы и являются наиболее действенными фильтрующими элементами, они наиболее выгодны по соотношению цена/эффективность, а также невелики по размеру. Конденсаторы, пожалуй, самые важные компоненты фильтра для ИИП. Существует много различных типов конденсаторов. Существует три больших класса конденсаторов, используемых в фильтрах на частотах 10 кГц-100 МГц, различающихся по типу диэлектрика: электролитические, пленочные органические и керамические.

Какой бы диэлектрик не применялся, основная составляющая потерь в конденсаторе выражается через эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), это – суммарное паразитное сопротивление конденсатора. ESR ограничивает эффективность фильтра и требует особого внимания, т.к. в некоторых типах конденсаторов ESR может изменяться в зависимости от частоты и температуры. Другая составляющая, понижающая качество конденсатора, – эквивалентная последовательная индуктивность (ESL). Индуктивностью ESL определяется частота, на которой полная характеристика импеданса конденсатора переходит от емкостной к индуктивной. Эта частота разная – от 10 кГц в некоторых электролитических конденсаторах до 100 МГц или даже больше в керамических конденсаторах для поверхностного монтажа (SMD). ESR и ESL минимизированы в безвыводных компонентах. Все упомянутые типы конденсаторов доступны в исполнении для поверхностного монтажа (SMD), которое предпочтительно для высокоскоростных устройств.

Все конденсаторы имеют некоторое конечное значение эквивалентного последовательного сопротивления ESR. В некоторых случаях ESR может даже способствовать подавлению резонансных пиков в фильтрах, обеспечивая некоторое затухание. Импеданс реального конденсатора (|Z|) на низких частотах почти чисто емкостной. На средних частотах его импеданс определяется значением ESR, например, для ряда типов, около 0.12–0.4 Ома на частоте 125 кГц. На частотах, превышающих значение примерно 1 МГц, этот конденсатор становится индуктивным, в импедансе доминирует эффект ESL. Минимальный импеданс будет изменяться в зависимости от значения ESR, а диапазон индуктивного импеданса зависит от величины ESL (которая, в свою очередь, сильно зависит от конструкции корпуса).

Рисунок 3.20 — Зависимость импеданса электролитического конденсатора от частоты

Что касается катушек индуктивности, в фильтрах источников питания очень часто применяются ферриты – непроводящая керамика, производимая из оксидов никеля, цинка, марганца и других соединений. На частотах более 100 кГц импеданс катушки с ферритовым сердечником становится резистивным, что важно для разработки высокочастотных фильтров.

Наипростейшая форма – бусинка из ферритового материала, ферритовый цилиндр, который просто надевается на вывод питания для развязки.

Ферриты необходимые для высокочастотных фильтров:

  • ферриты эффективны на частотах выше 25 кГц,
  • существуют ферритовые дроссели разных размеров и форм, в том числе в виде резистора с выводами,
  • импеданс ферритового дросселя на высоких частотах преимущественно резистивный, что идеально для фильтра ВЧ,
  • небольшие потери на постоянном токе: сопротивление провода, проходящего через феррит, очень невелико,
  • существуют варианты с большим током насыщения,
  • выбор зависит от:
    • источника и частоты помех,
    • требуемого на частоте помех сопротивления,
    • окружения: температуры, напряженности постоянного и переменного поля, имеющегося свободного места.

С учетом вышесказанного, была разработана принципиальная схема питающих микросхем, а также разведена печатная плата осциллографа-приставки.

Рисунок 3.21 — Принципиальная схема питания осциллографа-приставки   Рисунок 3.22 — Принципиальная схема питания осциллографа-приставки

 

3.9 Выводы

 

Разработка принципиальной схемы состояла в разработке инструментального усилителя, аналогового фильтра, масштабирующего усилителя, согласующего выход печатной платы и входа АЦП, и схемы питания. Далее эту принципиальную схему реализовали на печатной плате в соответствии с рисунком 3.22.

Вся принципиальная схема цифрового осциллографа-приставки приведена в приложении А.


Измерительный усилитель — операционные усилители

Инструментальный усилитель

Глава 8 — Операционные усилители

Как было предложено ранее, полезно иметь возможность регулировать усиление схемы усилителя без необходимости изменять более одного значения резистора, что необходимо для предыдущей конструкции дифференциального усилителя. Так называемая аппаратура основывается на последней версии дифференциального усилителя, чтобы дать нам такую ​​возможность:

Эта устрашающая схема построена из буферизованного дифференциального усилителя с тремя новыми резисторами, соединяющими две буферные цепи вместе. Учитывайте, что все резисторы имеют одинаковую величину, за исключением коэффициента усиления R. Отрицательная обратная связь верхнего левого операционного усилителя приводит к тому, что напряжение в точке 1 (верхняя часть коэффициента усиления R) будет равно V 1 . Аналогично, напряжение в точке 2 (нижняя часть коэффициента усиления R) удерживается до значения, равного V 2 . Это устанавливает падение напряжения на R- усиление, равное разности напряжений между V 1 и V 2 . Это падение напряжения вызывает ток через коэффициент усиления R, и поскольку петли обратной связи двух входных ОУ не потребляют ток, то такое же количество тока через коэффициент усиления R должно проходить через два резистора «R» выше и ниже этого. Это вызывает падение напряжения между точками 3 и 4, равное:

Регулярный дифференциальный усилитель в правой части схемы затем переносит это падение напряжения между точками 3 и 4 и усиливает его на коэффициент усиления 1 (считая, что все резисторы «R» имеют одинаковую величину). Хотя это похоже на громоздкий способ создания дифференциального усилителя, он имеет четкие преимущества в том, что он обладает чрезвычайно высокими входными импедансами на входах V 1 и V 2 (потому что они подключаются прямо к неинвертирующим входам соответствующих им операционных усилителей) и регулируемое усиление, которое может быть установлено одним резистором. Манипулируя приведенную выше формулу немного, мы имеем общее выражение для общего усиления напряжения в измерительном усилителе:

Хотя это может быть не очевидно, если посмотреть на схему, мы можем изменить дифференциальный коэффициент усиления измерительного усилителя просто путем изменения значения одного резистора: R усиления . Да, мы все равно могли бы изменить общий коэффициент усиления, изменив значения некоторых других резисторов, но для этого потребовалось бы сбалансированное изменение значения резистора, чтобы цепь оставалась симметричной. Обратите внимание, что минимальное усиление, возможное с помощью вышеприведенной схемы, получается при полностью открытом (R) усилении R (бесконечное сопротивление), и это значение усиления равно 1.

  • ОБЗОР:
  • Инструментальный усилитель представляет собой дифференциальную схему ОУ, обеспечивающую высокие входные импедансы с простотой регулировки усиления посредством изменения одного резистора.

Когда это инструментальный усилитель (In-Amp), а не операционный усилитель (Op-Amp)?

«Инструментальный усилитель — это прецизионное устройство дифференциального усиления напряжения […]». Одним из важных слов здесь является «выигрыш». Операционный усилитель имеет бесконечное усиление (в теории) и получает определенное усиление только путем добавления схемы вокруг него. Обычно, когда используется только один операционный усилитель, по крайней мере один из входов теряет свой чрезвычайно высокий входной импеданс, потому что необходимы внешние резисторы.

Если вам нужны два (дифференциальных) входа с очень высоким входным импедансом и определенным коэффициентом усиления, вы можете использовать двухконтактный усилитель, о котором вы говорите, или трехконтактный вход-конфигурация, показанный на рисунке. Есть также готовые IC InAmps таких компаний, как Linear Technology или Analog Devices.

Схема с тремя OpAmp-InAmp на изображении вашего вопроса показывает, что два операционных усилителя используются в качестве буферов, где они по-прежнему имеют высокий импеданс на своих не связанных друг с другом неинвертирующих входных контактах («+»). Путем подачи их выходов в другой операционный усилитель верхний неинвертирующий вход («+») становится инвертирующим входом («-»), поскольку он подключен к инвертирующему («-») входу третьего операционного усилителя. Нижний неинвертирующий вход («+») остается неинвертирующим из-за его связи с третьим операционным усилителем.

Обычные три OpAmp-InAmps используют немного другую конфигурацию по сравнению с вашим изображением для установки усиления только с одним резистором ( внешний резистор усиления в случае полностью интегрированных InAmps). Пожалуйста, обратитесь к ссылкам, которые я предоставил для более подробной информации.

При использовании трех OpAmp-InAmp вы получаете очень высокий входной импеданс на двух дифференциальных входах (в то время как вы получаете только один вход с таким высоким входным импедансом при обычном буфере OpAmp), и вы получаете очень хороший отказ от общего сигналы режима (это также возможно с помощью одного операционного усилителя, но за счет снижения входного сопротивления с помощью резисторов, которые вы должны использовать, чтобы превратить операционный усилитель в разностный усилитель).

Схема с двумя OpAmp-InAmp требует меньше деталей, но за счет не очень хорошего коэффициента подавления синфазного сигнала (CMRR).

Вот ссылка на очень хорошую книгу об InAmp от Analog’s Charles Kitchin и Lew Counts, где вы можете найти более детальный взгляд на все эти проблемы.

Схема и применение инструментального усилителя

Особым исполнением операционных усилителей является инструментальный усилитель, тип дифференциального усилителя с усилителем входного буфера. В этом руководстве мы узнаем о нескольких важных основах и приложениях инструментальных усилителей, а также о схеме и работе инструментального усилителя с тремя операционными усилителями.

Если вам нужна дополнительная информация об основах операционного усилителя, прочтите « Operational Amplifier Basics », а для получения информации об основах работы дифференциального усилителя прочтите « Differential Amplifier ».

Введение

Многие промышленные и потребительские приложения требуют измерения и контроля физических условий. Например, измерения температуры и влажности внутри молочного завода для точного поддержания качества продукции или точный контроль температуры в печи для производства пластика для производства пластика определенного сорта и т. Д.

Эти изменения физических условий должны быть преобразованы в электрические величины с помощью датчиков, а затем усилены. Такие усилители, которые используются для усиления сигналов для измерения физических величин, обычно известны как инструментальные усилители.

Вход инструментального усилителя — это выходной сигнал преобразователя. Преобразователь — это устройство, преобразующее одну форму энергии в другую. Большинство выходов преобразователей — это сигналы очень низкого уровня.

Следовательно, перед следующим этапом необходимо усилить уровень сигнала, исключив шум и помехи. Обычные несимметричные усилители не подходят для таких операций. Для подавления шума усилители должны иметь высокий коэффициент подавления синфазного сигнала.

Специальным усилителем, который используется для такого усиления низкого уровня с высоким CMRR, высоким входным сопротивлением, чтобы избежать нагрузки, является инструментальный усилитель.

Инструментальный усилитель предназначен для точного усиления сигнала низкого уровня, когда требуется высокое входное сопротивление, низкий уровень шума и точное усиление с обратной связью. Кроме того, для хорошей производительности желательны низкое энергопотребление, высокая скорость нарастания и высокий коэффициент подавления синфазного сигнала.

НАЗАД НАЗАД

Требования к хорошему инструментальному усилителю

Инструментальный усилитель обычно используется для усиления сигналов низкого уровня, подавления шумовых и интерференционных сигналов.Следовательно, хороший инструментальный усилитель должен соответствовать следующим требованиям:

Конечное, точное и стабильное усиление: Поскольку инструментальные усилители требуются для усиления сигналов очень низкого уровня от преобразователя, основным требованием является высокое и конечное усиление. Коэффициент усиления также должен быть точным, а коэффициент усиления замкнутого контура должен быть стабильным.

Более простая регулировка усиления: Помимо конечного и стабильного усиления, также необходимо изменение коэффициента усиления в заданном диапазоне значений.Регулировка усиления должна быть простой и точной.

Высокий входной импеданс: Чтобы избежать нагрузки на источники входного сигнала, входное сопротивление инструментального усилителя должно быть очень высоким (в идеале — бесконечным).

Низкое выходное сопротивление: Выходное сопротивление хорошего инструментального усилителя должно быть очень низким (в идеале нулевым), чтобы избежать воздействия нагрузки на ближайший следующий каскад.

High CMRR: Выход преобразователя обычно содержит синфазные сигналы при передаче по длинным проводам.Хороший инструментальный усилитель должен усиливать только дифференциальный вход, полностью отбрасывая синфазные входы. Таким образом, CMRR инструментального усилителя в идеале должен быть бесконечным.

High Slew Rate: Скорость нарастания инструментального усилителя должна быть как можно большей, чтобы обеспечить максимальный неискаженный размах выходного напряжения.

НАЗАД НАЗАД

Инструментальный усилитель с тремя ОУ

Наиболее часто используемые инструментальные усилители состоят из трех операционных усилителей.В этой схеме к каждому входу дифференциального усилителя подключен неинвертирующий усилитель.

Этот инструментальный усилитель обеспечивает высокое входное сопротивление для точного измерения входных данных с датчиков. Принципиальная схема инструментального усилителя показана на рисунке ниже.

Операционные усилители 1 и 2 являются неинвертирующими усилителями и вместе образуют входной каскад инструментального усилителя. Операционный усилитель 3 — это дифференциальный усилитель, который образует выходной каскад инструментального усилителя.

НАЗАД НАЗАД

Работа инструментального усилителя

Выходной каскад инструментального усилителя представляет собой дифференциальный усилитель, выходной сигнал которого V out представляет собой усиленную разность входных сигналов, подаваемых на его входные клеммы. Если выходы операционного усилителя 1 и операционного усилителя 2 равны V o1 и V o2 соответственно, то выходной сигнал разностного усилителя будет равен,

В выход = (R 3 / R 2 ) (V o1 -V o2 )

Выражения для Vo1 и Vo2 можно найти в терминах входных напряжений и сопротивлений.Рассмотрим входной каскад инструментального усилителя, как показано на рисунке ниже.

Потенциал в узле A — это входное напряжение V 1 . Следовательно, потенциал в узле B также равен V 1 , исходя из концепции виртуального короткого замыкания. Таким образом, потенциал в узле G также равен V 1 .

Потенциал в узле D — это входное напряжение V 2 . Следовательно, потенциал в узле C также равен V 2 от виртуального короткого замыкания. Таким образом, потенциал в узле H также равен V 2 .

В идеале ток на операционных усилителях входного каскада равен нулю. Поэтому ток I через резисторы R 1 , R , усиление и R 1 остается прежним.

Применение закона Ома между узлами E и F,

I = (V o1 -V o2 ) / (R 1 + R усиление + R 1 ) ——————— 1

I = (V o1 -V o2 ) / (2R 1 + R усиление )

Поскольку на вход операционных усилителей 1 и 2 ток не поступает, ток I между узлами G и H может быть задан как

I = (V G -V H ) / R усиление = (V 1 -V 2 ) / R усиление ————————- 2

Приравнивание уравнений 1 и 2,

(V o1 -V o2 ) / (2R 1 + R усиление ) = (V1-V 2 ) / R усиление

(V o1 -V o2 ) = (2R 1 + R усиление ) (V 1 -V 2 ) / R усиление —————— 3

Выход дифференциального усилителя имеет вид,

.

В выход = (R 3 / R 2 ) (V o1 -V o2 )

Следовательно, (V o1 — V o2 ) = (R 2 / R 3 ) V out

Подставляя значение (V o1 — V o2 ) в уравнение 3, получаем

(R 2 / R 3 ) V выход = (2R 1 + R усиление ) (V1-V 2 ) / R усиление

и.е. V out = (R 3 / R2) {(2R 1 + R усиление ) / R усиление } (V1-V 2 )

Приведенное выше уравнение дает выходное напряжение инструментального усилителя. Общий коэффициент усиления усилителя определяется выражением (R 3 / R2) {(2R 1 + R усиление ) / R усиление }.

Примечание:

  • Общим коэффициентом усиления по напряжению инструментального усилителя можно управлять, регулируя значение усиления резистора R .
  • Ослабление синфазного сигнала для инструментального усилителя обеспечивается дифференциальным усилителем.

НАЗАД В ТОП

Преимущества инструментального усилителя с тремя операционными усилителями
  • Коэффициент усиления схемы инструментального усилителя с тремя операционными усилителями можно легко изменять и контролировать, регулируя значение коэффициента усиления R без изменения структуры схемы.
  • Коэффициент усиления усилителя зависит только от используемых внешних резисторов.Следовательно, легко установить точное усиление, тщательно подбирая номиналы резисторов.
  • Входное сопротивление инструментального усилителя зависит от неинвертирующих схем усилителя на входном каскаде. Входное сопротивление неинвертирующего усилителя очень велико.
  • Выходное сопротивление инструментального усилителя — это выходное сопротивление дифференциального усилителя, которое очень мало.
  • CMRR операционного усилителя 3 очень высок, и почти весь синфазный сигнал будет отклонен.

НАЗАД В ТОП

Инструментальный усилитель моста преобразователя

Мост резистивного преобразователя представляет собой сеть резисторов, сопротивление которых изменяется из-за изменений некоторых физических условий. Например, термисторы изменяют свое сопротивление в зависимости от температуры, а светозависимые резисторы изменяют свое сопротивление при изменении интенсивности света.

Сделав такой мост как часть схемы, можно создать электрический сигнал, пропорциональный изменению измеряемой физической величины.

Такой электрический сигнал можно усилить и использовать для контроля и управления физическим процессом. Инструментальный усилитель может быть сконструирован с мостом преобразователя, подключенным к одной из его входных клемм, как показано на рисунке ниже.

Пусть сопротивление преобразователя в резистивном мосту будет R T , а изменение его сопротивления будет ΔR. Эффективное сопротивление преобразователя R T ± ΔR. На резистивный мост подается постоянное напряжение В = .

Когда мост уравновешен, то есть при некотором эталонном состоянии измеряемой физической величины, мы получаем

V a = V b

R A (Vdc) / (R A + R T ) = R B (Vdc) / (R B + R C )

В этом состоянии дифференциальный вход инструментального усилителя равен

.

V Diff = V b — V a = 0

Таким образом, выход усилителя равен нулю.Следовательно, устройство отображения, подключенное к выходу, отображает опорное значение измеряемой физической величины.

Эталонные условия обычно выбираются разработчиком и зависят от характеристик преобразователя, типа измеряемой физической величины и типа приложения.

При изменении измеряемой физической величины напряжение V a больше не будет равно V b . Это связано с тем, что сопротивление преобразователя изменяется с T R на (R T ± ΔR).

Это создает дифференциальный вход для инструментального усилителя, и выход усилителя больше не будет нулевым.

Сопротивления R B и R C постоянны и, следовательно, напряжение V B остается таким же, как и раньше, то есть

В b = R B (Vdc) / (R B + R C )

Но напряжение V a изменяется из-за изменения сопротивления преобразователя и теперь задается как,

Va = R A (Vdc) / (R A + R T + ΔR)

Дифференциальное напряжение В Diff составляет,

V Diff = V b — V a

V Diff = {R B (Vdc) / (R B + R C )} — {R A (Vdc) / (R A + R T + ΔR) }

Если все сопротивления в цепи выбраны одинаковыми, т.е.е. R A = R B = R C = R T = R

В Разница = {R (Vdc) / (2R)} — {R (Vdc) / (2R + ΔR)}

В Разница = {RVdc [2R + ΔR] — R.Vdc.2R} / 2R (2R + ΔR)

В Дифференциал = R .Vdc [ 2R + ΔR- 2R ] / {2 R (2R + ΔR)}

В Разница = ΔR (Vdc) / {2 (2R + ΔR) }

Если значение V Diff положительное, это означает, что V b больше, чем V a .

Выход инструментального усилителя определяется как,

V O = (R 3 / R 2 ) V d

В o = (R 3 / R 2 ) [ΔR (Vdc) / {2 (2R + ΔR)}]

Поскольку изменение сопротивления ΔR << 2R, V o можно записать как,

В o = (R 3 / R 2 ) [ΔR / 4R] (Vdc)

Из приведенного выше уравнения можно отметить, что выходная мощность зависит от изменения сопротивления ΔR.Дисплей может быть откалиброван в единицах измеряемой физической величины.

НАЗАД НАЗАД

Применение инструментального усилителя

Измерительный усилитель вместе с преобразовательным мостом может использоваться в самых разных приложениях. Эти приложения обычно известны как системы сбора данных.

На входном каскаде имеется преобразователь, который преобразует изменение физической величины в электрический сигнал.

Электрический сигнал поступает на инструментальный усилитель. Затем усиленный сигнал подается на устройство отображения, которое калибруется для определения изменения измеряемой величины.

Регулятор температуры

Простая система регулятора температуры может быть построена с использованием термистора в качестве преобразователя в резистивном мосту, как показано на рисунке выше.

Резистивный мост сбалансирован для некоторой эталонной температуры.При любом изменении этой эталонной температуры инструментальный усилитель будет вырабатывать выходное напряжение, которое приводит в действие реле, которое, в свою очередь, включает / выключает нагревательный элемент, тем самым контролируя температуру.

Индикатор температуры

Схема, показанная для регулятора температуры, также может использоваться в качестве индикатора температуры. Резистивный мост сбалансирован для определенной эталонной температуры, когда V o = 0 В.

Измеритель температуры откалиброван на эталонную температуру, соответствующую этому эталонному условию.

При изменении температуры изменяется и выход усилителя. Коэффициент усиления усилителя можно соответствующим образом настроить, чтобы указать желаемый диапазон температуры.

Измеритель силы света

Эту же схему можно использовать для обнаружения изменений интенсивности света путем замены термистора светозависимым резистором (LDR). Мост приведен в сбалансированное состояние в темноте.

Когда свет падает на LDR, его сопротивление изменяется и разбалансирует мост.Это приводит к тому, что усилитель выдает конечный выходной сигнал, который, в свою очередь, приводит в действие измеритель.

НАЗАД НАЗАД

Предыдущая — Дифференциальный усилитель

Next — Операционный усилитель в качестве интегратора

Принципиальная схема

, преимущества и применение

Инструментальный усилитель — это один из видов интегральной схемы (интегральная схема) , в основном используемый для усиления сигнала. Этот усилитель относится к семейству дифференциальных усилителей, поскольку он увеличивает несоответствие между двумя входами.Основная функция этого усилителя — уменьшить избыточный шум, который выбирается схемой. Способность подавлять шум знакома каждому контакту ИС, который известен как CMRR (коэффициент подавления синфазного сигнала) . Инструментальный усилитель IC является важным компонентом при проектировании схемы из-за его характеристик, таких как высокий CMRR, высокое усиление разомкнутого контура, низкий дрейф, а также низкое смещение постоянного тока и т. Д.


Что такое инструментальный усилитель ?

Инструментальный усилитель используется для усиления сигналов очень низкого уровня, подавления шумовых и интерференционных сигналов.Примерами могут быть сердцебиение, артериальное давление, температура, землетрясения и так далее. Таким образом, основные характеристики хорошего инструментального усилителя заключаются в следующем.

  • Входы инструментальных усилителей будут иметь очень низкую энергию сигнала. Следовательно, инструментальный усилитель должен иметь высокое усиление и быть точным.
  • Усиление должно легко регулироваться с помощью одного регулятора.
  • Он должен иметь высокое входное сопротивление и низкое выходное сопротивление для предотвращения нагрузки.
  • Инструментальный усилитель должен иметь высокий CMRR, поскольку на выходе преобразователя обычно содержатся синфазные сигналы, такие как шум, при передаче по длинным проводам.
  • Он также должен иметь высокую скорость нарастания, чтобы обрабатывать резкие времена нарастания событий и обеспечивать максимальный неискаженный размах выходного напряжения.

Инструментальный усилитель с операционным усилителем

Инструментальный усилитель , использующий схему операционного усилителя , показан ниже. Операционные усилители 1 и 2 являются неинвертирующими усилителями, а операционные усилители 3 — это дифференциальный усилитель .Эти три операционных усилителя вместе образуют инструментальный усилитель. Конечный выход Vout инструментального усилителя — это усиленная разность входных сигналов, подаваемых на входные клеммы операционного усилителя 3. Пусть выходы операционного усилителя 1 и операционного усилителя 2 имеют значение Vo1 и Vo2 соответственно.

Инструментальный усилитель с операционным усилителем

Тогда Vout = (R3 / R2) (Vo1-Vo2)

Посмотрите на входной каскад инструментального усилителя, как показано на рисунке ниже. Вывод инструментального усилителя обсуждается ниже.

Потенциал в узле A — это входное напряжение V1. Следовательно, потенциал в узле B также равен V1, исходя из концепции виртуального короткого замыкания. Таким образом, потенциал в узле G также равен V1.

Потенциал в узле D — это входное напряжение V2. Следовательно, потенциал в узле C также равен V2 из-за виртуального короткого замыкания. Таким образом, потенциал в узле H также равен V2.

Входной каскад инструментального усилителя

Рабочий каскад инструментального усилителя равен: В идеале ток на операционных усилителях входного каскада равен нулю.Следовательно, ток I через резисторы R1, Rgain и R1 остается прежним.

Применение закона Ома между узлами E и F,

I = (Vo1-Vo2) / (R1 + Rgain + R1) ………………………. (1)

I = (Vo1-Vo2) / (2R1 + Rgain)

Поскольку на вход операционных усилителей 1 и 2 ток не поступает, ток I между узлами G и H может быть задан как

I = (VG-VH) / Rgain = (V1-V2) / Rgain …………………………. (2)

Приравнивание уравнений 1 и 2,

(Vo1-Vo2) / (2R1 + Rgain) = (V1-V2) / Rgain

(Vo1-Vo2) = (2R1 + Rgain) (V1-V2) / Rgain ……………………….(3)

Выход дифференциального усилителя имеет вид,

.

Vout = (R3 / R2) (Vo1-Vo2)

Следовательно, (Vo1 — Vo2) = (R2 / R3) Vout

Подставляя значение (Vo1 — Vo2) в уравнение 3, получаем

(R2 / R3) Vout = (2R1 + Rgain) (V1-V2) / Rgain

, т.е. Vout = (R3 / R2) {(2R1 + Rgain) / Rgain} (V1-V2)

Это уравнение дает выходное напряжение инструментального усилителя.

Общий коэффициент усиления усилителя определяется выражением (R3 / R2) {(2R1 + Rgain) / Rgain} .

Общее усиление по напряжению инструментального усилителя можно контролировать, регулируя значение резистора Rgain.

Ослабление синфазного сигнала для инструментального усилителя обеспечивается дифференциальным усилителем.

Преимущества инструментального усилителя

К преимуществам инструментального усилителя можно отнести следующее.

  • Коэффициент усиления схемы инструментального усилителя с тремя операционными усилителями можно легко изменять, регулируя значение только одного резистора Rgain.
  • Коэффициент усиления усилителя зависит только от используемых внешних резисторов.
  • Входное сопротивление очень высокое из-за конфигурации эмиттерных повторителей усилителей 1 и 2
  • Выходное сопротивление инструментального усилителя очень низкое из-за разностного усилителя3.
  • CMRR операционного усилителя 3 очень высокий, и почти весь синфазный сигнал будет отклонен.

Применение инструментального усилителя

К числу применений инструментального усилителя относятся следующие.

  • Эти усилители используются в основном там, где требуется точность высокого дифференциального усиления, сила должна быть сохранена в шумной среде, а также там, где присутствуют большие синфазные сигналы. Некоторые из приложений
  • Приборные усилители
  • используются для сбора данных от небольших преобразователей , таких как термопары , тензодатчики, измерения моста Уитстона и т. Д.
  • Эти усилители используются в навигационных, медицинских, радиолокационных и др.
  • Эти усилители используются для улучшения отношения сигнал / шум (сигнал / шум) в аудиоприложениях, таких как аудиосигналы с низкой амплитудой.
  • Эти усилители используются для формирования изображений, а также для сбора видеоданных при формировании высокоскоростного сигнала.
  • Эти усилители используются в кабельных системах RF для усиления высокочастотного сигнала.

Разница между операционным усилителем и инструментальным усилителем

Ключевые различия между операционным усилителем и инструментальным усилителем заключаются в следующем.

  • Операционный усилитель (ОУ) является одним из видов интегральной схемы
  • Инструментальный усилитель представляет собой дифференциальный усилитель одного типа
  • Инструментальный усилитель может быть построен с тремя операционными усилителями.
  • Дифференциальный усилитель может быть построен с одним операционным усилителем.
  • На выходное напряжение дифференциального усилителя влияет несовпадение резисторов
  • Инструментальный усилитель обеспечивает усиление с одним резистором первичной фазы, который не требует согласования резисторов.

Итак, речь идет об инструментальном усилителе. Из приведенной выше информации, наконец, мы можем сделать вывод, что это важная интегральная схема для работы в условиях низкого напряжения. Коэффициент усиления усилителя можно изменить, заменив резисторы на входе. Этот усилитель имеет высокое входное сопротивление, а также высокий CMRR. Вот вам вопрос, какова основная функция инструментального усилителя?

Инструментальный усилитель

— обзор

11.2 ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Инструментальный усилитель — это, по сути, дифференциальный усилитель с высоким коэффициентом усиления, который имеет внутреннюю компенсацию для минимизации неидеальных характеристик. В частности, он имеет очень высокий коэффициент подавления синфазного сигнала, что означает, что напряжения сигнала, которые появляются на обоих входных клеммах, по существу игнорируются, и выход усилителя реагирует только на дифференциальный входной сигнал. В общем, инструментальный усилитель предназначен для достижения следующего:

1.

Напряжения смещения и дрейфы сведены к минимуму.

2.

Усиление стабилизировано.

3.

Нелинейность очень низкая.

4.

Входное сопротивление очень высокое.

5.

Выходное сопротивление очень низкое.

6.

Подавление синфазного сигнала очень велико.

В главе 9 была представлена ​​схема вычитателя. Если перед схемой вычитателя установить два буферных усилителя, мы получим основу для основной схемы инструментального усилителя.Эта конфигурация показана на рисунке 11.1.

РИСУНОК 11.1. Базовый инструментальный усилитель представляет собой схему вычитания, которой предшествуют два буферных усилителя.

Для дальнейшего обсуждения воспользуемся значениями, показанными на рисунке 11.2.

РИСУНОК 11.2. Базовый инструментальный усилитель, используемый для численного анализа.

Поскольку усилители A 1 и A 2 работают с замкнутым контуром отрицательной обратной связи, мы можем ожидать, что напряжения на (-) входных клеммах усилителей будут равны напряжениям на их (+) входы.Это означает, что напряжение на верхнем конце R G будет равно напряжению, приложенному к (-) входу всего инструментального усилителя. В данном примере это напряжение составляет +2 вольта. Точно так же напряжение на нижнем конце R G будет таким же, как напряжение, приложенное к (+) входу всего инструментального усилителя (+2,1 В для этого примера). Напряжение на R G ( v G ) представляет собой разницу между двумя входными напряжениями:

| υG | = | υ1 − υ2 | = | 2V − 2.1V | = 0,1 В

Полярность падения напряжения зависит от относительной полярности и величины входных напряжений. В данном примере нижний конец R G является более положительным, поскольку v 2 более положительный, чем v 1 . Ток через R G может быть вычислен с помощью закона Ома как

iG = υGRG = 0,1 В 1 кОм = 100 мкА

Теперь, поскольку ни один из этого тока не может течь в усилители или из них, A 1 и A 2 (без учета малых токов смещения), i G также должны проходить через резисторы обратной связи этих усилителей.Закон Ома можно использовать для определения результирующего падения напряжения на резисторах обратной связи.

υR1 = υR2 = iGR1 = 100 мкА × 10 кОм = 1 В

Поскольку электронный ток течет вниз через R G , полярность R 1 и R 2 будет такой показано на рисунке 11.2.

Напряжение на выходе A 1 можно найти, применив закон Кирхгофа:

υ1 ′ = υ1 − υR1 = + 2 V − 1 V = + 1 V

Аналогично, напряжение на выходе A 2 вычисляется как

υ2 ′ = υ2 + υR2 = + 2.1 В + 1 В = + 3,1 В

Работа схемы вычитателя ( A 3 ) обсуждалась в главе 9 и не будет здесь повторяться. Как вы помните, результат — это просто разница между входными данными. В данном случае выход A 3 будет

υO = υ2′ − υ1 ′ = 3,1 V − 1 V = + 2,1 V

Мы можем применить некоторые основные алгебраические манипуляции, чтобы определить важное уравнение для усиление напряжения. Мы уже определили следующие отношения (с полярностями, показанными на рисунке 11.2):

υ1 ′ = υ1 − υR1υ2 ′ = υ2 + υR2iG = υ2 − υ1RGυR1 = iGR1 = (υ2 − υ1) R1RGυR2 = iGR2 = (υ2 − υ1) R2RGυO = υ2 ′ − υ2, подстановка дает получим следующие результаты:

υO = (υ2 + υR2) — (υ1 − υR1) = [υ2 + (υ2 − υ1) R2RG] — [υ1− (υ2 − υ1) R1RG] = [(υ2 − υ1) + ( R1 + R2) (υ2 − υ1) RG]

Поскольку резисторы R 1 и R 2 равны, мы можем заменить выражение R 1 + R 2 на выражение 2 р. Выполнение этой замены и упрощения дает нам следующие результаты.

Коэффициент усиления по напряжению равен выходному напряжению усилителя, деленному на его входное напряжение, а входное напряжение для нашей нынешней схемы составляет В 2 В 1 ; следовательно, теперь мы можем получить наше окончательное уравнение усиления

Это показывает нам, что коэффициент усиления инструментального усилителя определяется величиной внешнего резистора R G . В случае схемы на Рисунке 11.2, коэффициент усиления по напряжению вычисляется как

AV = 2RRG + 1 = 20 кОм1 кОм + 1 = 21

Это, конечно, коррелирует с нашим более ранним открытием, что входное напряжение 0,1 вольт (2,1 В -2 V ) выдает выходное напряжение 2,1 В.

Реальные интегрированные инструментальные усилители могут использовать один или два внешних резистора для определения коэффициента усиления по напряжению. Некоторые устройства имеют внутренние прецизионные резисторы, которые можно подключить к цепи для получения определенных фиксированных коэффициентов усиления (например,г., 10, 100 и 1000). Кроме того, они обычно имеют другие входы для таких вещей, как подстройка напряжения смещения и изменение частотной характеристики (частотная компенсация).

Инструментальный усилитель является важным строительным блоком на основе операционных усилителей. Понимание его общей работы в сочетании с данными, предоставленными производителем, позволит вам эффективно использовать это устройство.

Разница между измерительными приборами и дифференциальными усилителями

Многие из используемых сегодня в промышленности измерительных приборов имеют входы, основанные на измерительных усилителях.Этот тип усилителя, иногда обозначаемый сокращенно как InAmp, сам по себе основан на более фундаментальной схеме усилителя — дифференциальном усилителе. Может быть полезно понять, чем отличаются эти два устройства.

Дифференциальный усилитель идеально усиливает разницу двух входных напряжений, но подавляет любое напряжение, общее для двух его входов. В идеале выход дифференциального усилителя соответствует следующему уравнению:
V out = A d (V + in — V -in )
Где A d — это дифференциальное усиление, а V + в и V -in — это два входных напряжения.На самом деле, два входа дифференциального усилителя имеют неравные коэффициенты усиления. Соответственно, даже при равных входах подавление синфазного сигнала не является абсолютным, и усилитель будет иметь выходной сигнал, отличный от нуля. Принимая это во внимание, уравнение для выходного напряжения выглядит следующим образом:
В на выходе = A d + на — В на входе ) + A c ((В + на + V — in ) / 2)
, где A c — это так называемое синфазное усиление усилителя.

Для устранения сигналов (шума, напряжения смещения и т. Д.), Которые появляются на обоих входах, желательно низкое синфазное усиление. Это реализуется путем подачи выходного сигнала усилителя через соответствующее сопротивление на отрицательный вход. Большинство дифференциальных усилителей в наши дни основаны на операционных усилителях, и эта обратная связь может быть реализована внутри микросхемы операционного усилителя или, если повышение температуры может быть проблемой, с использованием дискретного компонента.

Дифференциальный усилитель для достижения широкой полосы пропускания на радиочастотах должен иметь несимметричный вход, который соответствует импедансу источника, обычно 50 Ом.InAmp, основанный на дифференциальном усилителе, решает эту проблему. InAmp состоит из дифференциального усилителя с буферным усилителем на каждом входе. Назначение буферных усилителей состоит в том, чтобы исключить необходимость согласования импеданса между входом усилителя и тестируемым устройством или тем, что генерирует входной сигнал. Кроме того, измерительный прибор, использующий вход InAmp, обычно имеет низкое смещение по постоянному току, низкий дрейф, низкий уровень шума, высокий коэффициент усиления без обратной связи и высокий коэффициент подавления синфазного сигнала.

InAmp часто объясняется моделью, состоящей из трех операционных усилителей с семью резисторами, обеспечивающими отрицательную обратную связь.Один из трех операционных усилителей буферизует каждый вход. Третий — обычный дифференциальный усилитель. Коэффициент усиления выражается следующим уравнением:
A v = V out / (V2 — V1) = (1 + (2R1 / R gain )) (R3 / R2)
где V2 и V1 — входные напряжения. , R3 — стандартное сопротивление обратной связи для дифференциального усилителя, R1 — сопротивление обратной связи для двух входных буферов с единичным усилением, а коэффициент усиления дифференциального каскада равен R3 / R2.

Усиление резистора R между двумя инвертирующими входами служит способом увеличения дифференциального усиления буферных усилителей, оставляя синфазное усиление равным единице.Это увеличивает коэффициент подавления синфазного сигнала в схеме и позволяет буферным усилителям обрабатывать синфазные сигналы большего размера без ограничения, чем в случае, если бы они были отдельными и имели одинаковые коэффициенты усиления. В реальных схемах коэффициент усиления R часто принимает форму переключаемых резисторов или потенциометра.

Идеальное синфазное усиление инструментального усилителя равно нулю. В модели с тремя операционными усилителями синфазное усиление происходит из-за несовпадения соотношений резисторов и из-за несовпадения синфазных коэффициентов усиления двух входных операционных усилителей.При изготовлении этих схем может быть сложно добиться точного согласования резисторов, поскольку это оптимизирует работу в синфазном режиме.

Одна из ИС, использующих архитектуру косвенной обратной связи по току, — это MAX4462 от Maxim Integrated.

Сегодня большинство InAmps представляют собой одну микросхему, содержащую операционные усилители. Однако InAmps с тремя операционными усилителями находят лишь ограниченное применение в реальной жизни из-за недостатков, связанных с диапазоном синфазных напряжений, с которыми они могут работать. Более распространенная архитектура InAmp называется косвенной обратной связью по току.Полное описание этой схемы довольно сложно. Упрощенное объяснение состоит в том, что схема содержит усилитель с высоким коэффициентом усиления и два усилителя крутизны (соответственно C, A и B на схеме рядом). Каждый крутильный усилитель преобразует входное дифференциальное напряжение в выходной ток и отклоняет все входное синфазное напряжение. В стабильной рабочей точке усилителя выходной ток каскада A совпадает с входным током каскада B.Это согласование тока обеспечивается за счет действия обратной связи через усилитель C с высоким коэффициентом усиления, который заставляет дифференциальное напряжение на входе усилителя обратной связи B быть таким же, как дифференциальное напряжение на входах усилителя A.

Эта схема затем устанавливает определенный ток в цепи выходного резистора (равный V DIFF / R1), который также протекает через R2. Следовательно, выходное напряжение на OUT — это просто увеличенная версия входного дифференциального напряжения (G = 1 + (R2 / R1)).Выходной сигнал может быть смещен путем подачи произвольного опорного напряжения на REF, что очень похоже на стандартный инструментальный усилитель с тремя операционными усилителями.

Следует отметить, что промежуточный сигнал в обычном трехоперационном усилителе InAmp содержит как усиленное дифференциальное напряжение, так и входное синфазное напряжение. Однако первая ступень архитектуры с косвенной обратной связью по току обеспечивает полное подавление синфазного сигнала. Затем второй каскад предлагает все дифференциальное усиление и усиливает подавление синфазного сигнала, тем самым позволяя при необходимости смещать выход на опорное напряжение.Следовательно, ограничения входного синфазного напряжения, присутствующие в InAmp с тремя операционными усилителями, просто не присутствуют в архитектуре с косвенной обратной связью по току.

Принципиальная схема инструментального усилителя

с использованием операционного усилителя

Практически все типы датчиков и преобразователей преобразуют параметры реального мира, такие как свет, температура, вес и т. Д., В значения напряжения, чтобы наши электронные системы могли это понять. Изменение этого уровня напряжения поможет нам в анализе / измерении параметров реального мира, но в некоторых приложениях, таких как биомедицинские датчики, это изменение очень мало (сигналы низкого уровня), и очень важно отслеживать даже мельчайшие изменения до получить достоверные данные.В этих приложениях используется инструментальный усилитель .

Инструментальный усилитель, также известный как INO или входные усилители, как следует из названия, усиливает колебания напряжения и обеспечивает дифференциальный выход, как и любые другие операционные усилители. Но в отличие от обычного усилителя инструментальные усилители будут иметь высокий входной импеданс с хорошим усилением, обеспечивая подавление синфазного шума с полностью дифференциальными входами. Ничего страшного, если вы не получите его сейчас, в этой статье мы узнаем об этих инструментальных усилителях, и, поскольку эти ИС относительно дороги, чем операционные усилители, мы также узнаем, как использовать обычные операционные усилители, такие как LM385 или LM324, для сборки Инструментальный усилитель и использовать его в наших приложениях.Операционные усилители также могут быть использованы для построения схемы сумматора и вычитателя напряжения.

Что такое ИС инструментального усилителя?

Помимо обычных микросхем операционных усилителей, у нас есть специальные усилители для инструментальных усилителей, такие как INA114 IC. Это не что иное, как несколько обычных операционных усилителей, объединенных вместе для определенных конкретных приложений. Чтобы понять больше об этом, давайте заглянем в техническое описание INA114, чтобы увидеть его внутреннюю принципиальную схему.

Как вы можете видеть, IC принимает два сигнальных напряжения V IN — и V IN +, давайте теперь для простоты понимания рассмотрим их как V1 и V2.Выходное напряжение (В O ) можно рассчитать по формуле

  В  O  = G (V2 - V1)  

Где, G — коэффициент усиления операционного усилителя, который может быть установлен с помощью внешнего резистора R G и рассчитан по формулам ниже

  G = 1+ (50 кОм   Ом / RG)  

Примечание: Значение 50 кОм применимо только для микросхемы INA114, поскольку в ней используются резисторы номиналом 25 кОм (25 + 25 = 50).Вы можете рассчитать значение для других схем соответственно.

Итак, теперь, если вы посмотрите на него, In-amp просто обеспечивает разницу между двумя источниками напряжения с коэффициентом усиления, который может быть установлен с помощью внешнего резистора. Звучит знакомо? Если нет, взгляните на конструкцию дифференциального усилителя и вернитесь.

Да !, это именно то, что делает дифференциальный усилитель, и если вы присмотритесь, то даже обнаружите, что операционный усилитель A3 на изображении выше — не что иное, как схема дифференциального усилителя.Таким образом, с точки зрения непрофессионала, инструментальный усилитель — это еще один вид дифференциального усилителя, но с большими преимуществами, такими как высокий входной импеданс, простая регулировка усиления и т. Д. Эти преимущества связаны с двумя другими операционными усилителями (A2 и A1) в конструкции, мы узнаем об этом больше в следующем рубрике.

Знакомство с инструментальным усилителем

Чтобы полностью понять инструментальный усилитель, давайте разберем это изображение на значимые блоки, как показано ниже.

Как вы можете видеть , In-Amp — это просто комбинация двух буферных схем операционного усилителя и одной дифференциальной схемы операционного усилителя . Мы узнали о конструкции обоих этих операционных усилителей по отдельности, теперь мы увидим, как они объединяются в дифференциальный операционный усилитель.

Разница между дифференциальным усилителем и инструментальным усилителем

Мы уже узнали, как спроектировать и использовать дифференциальный усилитель в нашей предыдущей статье.Существенным недостатком дифференциального усилителя является то, что он имеет очень низкий входной импеданс из-за входных резисторов и очень низкий CMRR из-за высокого синфазного усиления. Они будут преодолены в инструментальном усилителе из-за буферной схемы.

Также в дифференциальном усилителе нам нужно заменить множество резисторов, чтобы изменить значение усиления усилителя, но в дифференциальном усилителе мы можем управлять усилением, просто регулируя одно значение резистора.

Принципиальная схема инструментального усилителя с операционным усилителем (LM358)

Теперь давайте создадим практический инструментальный усилитель на ОУ и проверим, как он работает.Схема инструментального усилителя на операционном усилителе , которую я использую, приведена ниже.

Для схемы требуется всего три операционных усилителя; Я использовал две микросхемы LM358 . LM358 — это операционный усилитель с двумя корпусами, то есть он имеет два операционных усилителя в одном корпусе, поэтому нам нужно два из них для нашей схемы. Точно так же вы также можете использовать три ОУ LM741 в одном корпусе или один ОУ LM324 в четырех корпусах.

В приведенной выше схеме операционный усилитель U1: A и U1: B действует как буфер напряжения, что помогает в достижении высокого входного импеданса.Операционный усилитель U2: A действует как дифференциальный операционный усилитель. Поскольку все резисторы дифференциального операционного усилителя равны 10 кОм, он действует как дифференциальный усилитель с единичным усилением, что означает, что выходное напряжение будет разностью напряжений между контактами 3 и 2 U2: A.

Выходное напряжение цепи инструментального усилителя можно рассчитать по формулам ниже.

  Vout = (V2-V1) (1+ (2R / Rg))  

Где, R = номинал резистора цепи. Здесь R = R2 = R3 = R4 = R5 = R6 = R7, что составляет 10k

Rg = резистор усиления.Здесь Rg = R1, что равно 22k.

Таким образом, значение R и Rg определяет коэффициент усиления усилителя. Величину прироста можно рассчитать по

.
  Усиление = (1+ (2R / Rg))  

Моделирование схемы инструментального усилителя

Приведенная выше схема при моделировании дает следующие результаты.

Как видите, входное напряжение V1 составляет 2,8 В, а V2 — 3,3 В. Значение R составляет 10k, а значение Rg — 22k.Подставляя все эти значения в приведенные выше формулы

  Выход = (V2-V1) (1+ (2R / Rg)) 
  = (3,3–2,8) (1+ (2x10 / 22)) 
  = (0,5) * (1,9) 
  = 0,95 В  

Мы получаем значение выходного напряжения 0,95 В, что соответствует приведенному выше моделированию. Таким образом, коэффициент усиления приведенной выше схемы составляет 1,9, а разница напряжений — 0,5 В. Таким образом, эта схема будет в основном измерять разницу между входными напряжениями, умножать ее на коэффициент усиления и вычислять как выходное напряжение.

Вы также можете заметить, что входное напряжение V1 и V2 появляется на резисторе Rg, это связано с отрицательной обратной связью операционного усилителя U1: A и U1: B. Это гарантирует, что падение напряжения на Rg равно разнице напряжений между V1 и V2, что вызывает прохождение равного количества тока через резисторы R5 и R6, делая напряжение на контакте 3 и контакте 2 одинаковым на операционном усилителе U2: A. Если вы измеряете напряжение перед резисторами, вы можете увидеть фактическое выходное напряжение от операционного усилителя U1: A и U1: B, разность которого будет равна выходному напряжению, как показано выше в моделировании.

Тестирование цепи инструментального усилителя на оборудовании

Enough Theory позволяет построить такую ​​же схему на макетной плате и измерить уровни напряжения. Мои настройки подключения показаны ниже.

Я использовал созданный нами ранее макетный блок питания. Эта плата может подавать как 5 В, так и 3,3 В. Я использую шину 5 В для питания обоих операционных усилителей и 3,3 В в качестве входного напряжения сигнала V2. Другое входное напряжение V2 установлено на 2.8V с использованием моего RPS. Поскольку я также использовал резистор 10 кОм для R и резистор 22 кОм для R1, коэффициент усиления схемы будет 1,9. Разность напряжений составляет 0,5 В, а коэффициент усиления равен 1,9, произведение которых дает 0,95 В в качестве выходного напряжения, которое измеряется и отображается на изображении с помощью мультиметра. Полная работа схемы инструментального усилителя показана на видео по ссылке ниже.

Аналогичным образом вы можете изменить значение R1, чтобы установить требуемое усиление, используя формулы, описанные выше.Поскольку усилением этого усилителя можно очень легко управлять с помощью одного резистора, он часто используется для регулировки громкости аудиосхем.

Надеюсь, вы поняли схему и получили удовольствие от изучения чего-то полезного. Если у вас есть какие-либо вопросы, оставьте их в разделе комментариев ниже или воспользуйтесь форумом для более быстрого ответа.

Измерительный усилитель

— принцип работы, применение, преимущества

Измерительный усилитель

(In-Amp) является основным компонентом каждого измерительного прибора и испытательного оборудования.Инструментальный усилитель — это тип дифференциального усилителя, который обеспечивает высокое подавление синфазного сигнала. Инструментальный усилитель доступен в форме интегральной схемы, а также может быть построен с использованием операционных усилителей и резисторов с очень низким значением допуска, называемых прецизионными резисторами. Этот пост предоставит вам лучшее понимание того, что такое инструментальный усилитель, его принцип работы, применения, преимущества и недостатки.

Что такое инструментальный усилитель

Инструментальные усилители в основном используются для усиления небольших дифференциальных сигналов.Инструментальный усилитель обеспечивает наиболее важную функцию подавления синфазного сигнала (CMR). Он подавляет любые сигналы с одинаковым потенциалом на обоих входах. Сигналы, которые имеют разность потенциалов между входами, усиливаются.

Инструментальный усилитель (In-Amp) используется для низкочастотных сигналов (± 1 МГц) для обеспечения большого усиления. Он усиливает входной сигнал, подавляя синфазный шум, присутствующий во входном сигнале.

Рис.1 — Введение в инструментальный усилитель

Обычно типичная конфигурация инструментального усилителя состоит из трех операционных усилителей и нескольких резисторов. Для достижения наивысшего коэффициента подавления синфазного сигнала (CMRR) используются высокоточные резисторы (допуск 0,1% или лучше).

На рисунке 2 ниже показаны конфигурация контактов и физический вид IC, AD620 In-Amp (инструментальный усилитель). Это промышленный стандарт, высокопроизводительный и недорогой усилитель. Он полностью монолитен и доступен как в 8-выводном корпусе DIP, так и в корпусе SOIC.Пользователь может получить любое желаемое усиление от 1 до 1000, используя один внешний резистор. По конструкции номиналы фиксированного резистора для коэффициентов усиления 10 и 100 являются стандартными значениями металлопленочного резистора 1%.

Рис. 2 — (a) Конфигурация контактов (b) Инструментальный усилитель AD620

Принцип работы инструментального усилителя

На рисунке 3 ниже представлена ​​конфигурация инструментального усилителя с использованием двух операционных усилителей, где V1 и V2 — входные напряжения, а V01, Vo2 — выходы операционных усилителей 1 и 2 соответственно.R1, R2, R3 — резисторы, а выходной каскад инструментального усилителя — это дифференциальный усилитель, выход которого V out представляет собой усиленную разность входных сигналов.

Входы двух буферных операционных усилителей не потребляют ток, и, следовательно, падение напряжения на Rg пропорционально дифференциальному напряжению V1 и V2. Это создает ток, который полностью проходит через резисторы R, и создаваемое напряжение действует как вход в дифференциальный усилитель или схему вычитания.

Все резисторы, кроме Rg, равны. Rg может быть внешним резистором, подключенным к двум контактам ИС. Если контакты не подключены, то коэффициент усиления усилителя равен 1, но предпочтительно различные коэффициенты усиления могут быть получены путем подключения резистора соответствующего номинала. В качестве альтернативы, на микросхеме может быть изготовлено несколько резисторов для получения коэффициентов усиления 1, 10, 100 и 1000.

Рис. 3 — Конфигурация инструментального усилителя

Подобно схеме операционного усилителя, входной буфер усилители (ОУ 1 и ОУ 2) инструментального усилителя пропускают синфазный сигнал с единичным усилением.Сигнал усиливается обоими буферами. Выходные сигналы из двух буферов подключаются к секции вычитания инструментального усилителя. Дифференциальный сигнал усиливается с низким коэффициентом усиления или единицей, а синфазное напряжение ослабляется.

Потенциал в узле A представляет собой инвертирующее входное напряжение V 1 . Исходя из концепции виртуального короткого замыкания, потенциал в узлах B и G также равен V 1 . Потенциал в узле D — это неинвертирующее входное напряжение V 2 .Следовательно, потенциал в узлах C и H также равен V 2 .

Ток I через резисторы R 1 , R , усиление и R 1 остается прежним, так как в идеале ток на ОУ входного каскада равен нулю.

Применение закона Ома между узлами E и F

I = (V o1 -V o2 ) / (R 1 + R усиление + R 1 )

I = (V o1 -V o2 ) / (2R 1 + R усиление )

Поскольку на вход операционных усилителей 1 и 2 нет тока, ток I между узлами G и H может быть задано как,

I = (V G -V H ) / R усиление = (V 1 -V 2 ) / R усиление

Выход разностного усилителя определяется по: —

V o = (R 3 / R 2 ) (V o1 50 -V )

Теоретически это означает, что конечный пользователь может получить желаемое усиление на входе без увеличения синфазного усиления и d ошибка.То есть дифференциальный сигнал будет увеличиваться на усиление, и, таким образом, CMRR прямо пропорционален усилению.

Применения инструментального усилителя

Аппаратный усилитель применяет следующие приложения:

  • Они широко используются в биомедицинских приложениях, таких как ЭКГ и ЭЭГ.
  • Инструментальные усилители
  • используются там, где важна долговременная стабильность, например, в промышленных приложениях, включая автоматизацию.
  • Инструментальные усилители объединены с датчиками давления в системах взвешивания для контроля различных физических величин, таких как вес, сила, давление, смещение и крутящий момент.
  • Они используются в игровой индустрии.
  • Измерительные усилители также используются в переносных батареях.

Преимущества инструментального усилителя

Преимущества инструментального усилителя:

  • Напряжение смещения минимизировано.
  • Коэффициент усиления по напряжению высокий, поскольку в конфигурации используются высокоточные резисторы.
  • Коэффициент усиления схемы можно изменять, используя резистор определенного номинала.
  • Нелинейность очень низкая.Это внутреннее ограничение производительности устройства, которое не может быть устранено внешней регулировкой, но может быть разработано только производителем.
  • Входное сопротивление очень высокое, чтобы избежать перегрузки источника входного сигнала, а выходное сопротивление очень низкое.
  • Подавление синфазного сигнала очень велико.

Недостаток инструментального усилителя

Самым большим недостатком инструментального усилителя является возникновение шума при использовании для передачи на большие расстояния

  Также прочтите:
   Что такое предохранитель - символы, характеристики, типы, применение и преимущества 
  Оптоэлектроника - оптоэлектронные устройства, приложения и перспективы на будущее 
 Цветовые коды проводки  - коды США, Великобритании, Европы и Канады, когда применять 
 

6.2: Инструментальные усилители — Engineering LibreTexts

Существует множество приложений, где необходимо усилить дифференциальный сигнал. К ним относятся измерения мостов низкого уровня, симметричные линии микрофонов, оборудование связи, усилители термопар и т.п. Непосредственным ответом на эти приложения является конфигурация дифференциального операционного усилителя, описанная в главе 4. К сожалению, у этой формы есть ограничения. Во-первых, практически невозможно добиться согласованных входов с высоким импедансом при сохранении высокого усиления и удовлетворительных характеристик смещения и шума.В этом отношении входные сопротивления не изолированы; действительно, импеданс одного входа вполне может быть функцией сигнала, присутствующего на другом входе. Проще говоря, это неприемлемая ситуация, когда необходим прецизионный усилитель, особенно если сопротивление источника не очень низкое.

Инструментальный усилитель решает эти проблемы. Инструментальные усилители обладают очень высоким импедансом, изолированными входами, высоким коэффициентом усиления и отличными характеристиками CMRR. Некоторым людям нравится думать об инструментальных усилителях как о разновидности «усиленного» дифференциального усилителя.Инструментальные усилители могут быть изготовлены из отдельных операционных усилителей. Они также доступны на одной микросхеме для максимальной производительности.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Базовый дифференциальный усилитель (слева) и с буферами (справа).

Инструментальные усилители — это, по сути, трехусилительная конструкция. Чтобы понять, как они работают, лучше всего начать с дифференциального усилителя на основе одного операционного усилителя, как показано на рисунке \ (\ PageIndex {1a} \). Один из способов увеличить входное сопротивление, а также сохранить изоляцию входа — это установить повторитель напряжения перед каждым входом.Это показано на рисунке \ (\ PageIndex {1b} \). Источник теперь управляет повторителями с очень высоким входным импедансом. Последователи имеют очень низкий выходной импеданс и без проблем управляют дифференциальным каскадом. В этой схеме операционный усилитель 3 используется для подавления синфазного сигнала, а также для усиления напряжения. Обратите внимание, что требования к ширине полосы пропускания для операционного усилителя 3 значительно выше, чем для входных повторителей. Расширение этой схемы показано на рисунке \ (\ PageIndex {2} \). Здесь операционные усилители 1 и 2 используются для усиления сигнала наряду с их предыдущей функцией буферизации входного сигнала.Основная проблема с этой конфигурацией заключается в том, что она требует очень точного согласования резисторов, чтобы сохранить одинаковое усиление. Любое несоответствие усиления между двумя входами приведет к ухудшению CMRR. Для оптимального подавления синфазного сигнала нежелательный сигнал должен быть идентичен на входах операционного усилителя 3. Для систем с высоким CMRR согласование резисторов может быть лучше 0,01%. Это дорогостоящее требование, если используются дискретные резисторы. Другой способ обойти это — разрешить некоторую регулировку усиления для компенсации рассогласования усиления, возможно, используя комбинацию резистор / потенциометр вместо \ (R_f ^ {‘} \) для ОУ 3.Из-за стоимости и времени корректировки не одобряются.

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): Базовый инструментальный усилитель.

К счастью, есть очень небольшая модификация рисунка \ (\ PageIndex {2} \), которая устраняет проблему несоответствия прироста. Эта модификация включает объединение значений \ (R_i \) операционных усилителей 1 и 2 в один резистор. Это показано на рисунке \ (\ PageIndex {3} \). Чтобы предотвратить возможную путаницу с операционным усилителем 3, три резистора, используемые для входной секции, были помечены как \ (R_1 \), \ (R_2 \) и \ (R_3 \).Для анализа этой схемы воспользуемся рассмотренными ранее приближениями.

Рисунок \ (\ PageIndex {3} \): Улучшенный инструментальный усилитель.

Прежде всего, из предыдущей работы мы уже знаем уравнение усиления для дифференциальной секции

\ [V_ {out} = \ frac {R_f} {R_i} (V_b — V_a) \ label {6.1} \]

Наша цель — найти уравнения для \ (V_b \) и \ (V_a \). Рассмотрим операционный усилитель 1 на предмет \ (V_a \). Во-первых, из-за того, что напряжение ошибки операционных усилителей приблизительно равно нулю, инвертирующие и неинвертирующие входы каждого операционного усилителя одинаковы.Поэтому мы можем сказать, что \ (V_x \) должен быть равен \ (V_ {in -} \), и что \ (V_y \) должен быть равен \ (V_ {in +} \).

\ [V_x = V_ {in-} \ label {6.2} \]

\ [V_y = V_ {in +} \ label {6.3} \]

Выходное напряжение \ (V_a \) должно равняться \ (V_x \) плюс падение на \ (R_1 \).

\ [V_a = V_x + V_ {R1} \ label {6.4} \]

«Положительный» потенциал \ (V_ {R1} \) произвольный. Мы предполагаем, что ток течет вниз через \ (R_1 \). Если действительные числа окажутся противоположными, \ (V_ {R1} \) окажется отрицательным.Падение напряжения \ (V_ {R1} \) определяется по закону Ома:

\ [V_ {R1} = R_1 I_ {R1} \ label {6.5} \]

Для расширения,

\ [I_ {R1} = I_ {R2} + I_ {операционный усилитель 1} \ notag \]

\ (I_ {opamp 1} \) приблизительно равно 0, следовательно,

\ [V_ {R1} = R_1 I_ {R2} \ notag \]

Ток через \ (R_2 \) устанавливается его значением и перепадом на нем.

\ [I_ {R2} = \ frac {V_x — V_y} {R_2} \ label {6.6} \]

Подставив \ ref {6.6} и \ ref {6.5} в \ ref {6.4} дает

\ [V_a = V_x + \ frac {R_1 (V_x − V_y)} {R_2} \ label {6.7} \]

Подстановка \ ref {6.2} и \ ref {6.3} в \ ref {6.7} дает

\ [V_a = V_ {in-} + \ frac {R_1 (V_ {in-} — V_ {in +})} {R_2} \ notag \]

\ [V_a = V_ {in-} + \ frac {R_1} {R_2} (V_ {in-} — V_ {in +}) \ notag \]

\ [V_a = V_ {in-} + V_ {in-} \ frac {R_1} {R_2} — V_ {in +} \ frac {R_1} {R_2} \ notag \]

\ [V_a = V_ {in-} \ left (1 + \ frac {R_1} {R_2} \ right) — V_ {in +} \ frac {R_1} {R_2} \ label {6.8} \]

Внимательный взгляд на уравнение \ ref {6.8} показывает, что оно состоит из двух членов. Первый член равен \ (V_ {in -} \) умноженному на неинвертирующее усиление операционного усилителя 1, как вы могли ожидать. Второй член равен \ (V_ {in +} \) умноженному на коэффициент усиления инвертирующего операционного усилителя 1. Этот выходной потенциал важно отметить. Даже если может показаться, что операционный усилитель 1 не будет ограничивать данный сигнал, это может произойти, если вход второго операционного усилителя достаточно велик и имеет правильную полярность.

По аналогичной схеме находится уравнение для \ (V_b \)

\ [V_b = V_ {in +} \ left (1+ \ frac {R_3} {R_2} \ right) — V_ {in-} \ frac {R_3} {R_2} \ label {6.9} \]

Для согласования усиления \ (R_3 \) устанавливается равным \ (R_1 \). Затем \ (R_2 \) можно использовать для управления усилением входной пары в тандеме.

Наконец, подставив \ ref {6.8} и \ ref {6.9} в \ ref {6.1}, получаем

\ [V_ {out} = \ frac {R_f} {R_i} \ left (\ left (V_ {in +} \ left (1+ \ frac {R_1} {R_2} \ right) — V_ {in-} \ frac) {R_1} {R_2} \ right) — \ left (V_ {in-} \ left (1+ \ frac {R_1} {R_2} \ right) — V_ {in +} \ frac {R_1} {R_2} \ right) \ right) \ label {6.10} \]

Объединение терминов дает

\ [V_ {out} = \ frac {R_f} {R_i} \ left (\ left (V_ {in +} — V_ {in-} \ right) \ left (1+ \ frac {R_1} {R_2} \ right) ) + \ left (V_ {in +} — V_ {in-} \ right) \ frac {R_1} {R_2} \ right) \ notag \]

\ [V_ {out} = (V_ {in +} — V_ {in-}) \ left (\ frac {R_f} {R_i} \ right) \ left (1 + 2 \ frac {R_1} {R_2} \ right ) \ label {6.11} \]

Первый член — это дифференциальное входное напряжение. Второй член — это усиление, создаваемое операционным усилителем 3, а третий член — это усиление, производимое операционными усилителями 1 и 2. Обратите внимание, что подавление синфазного сигнала в системе больше не зависит исключительно от операционного усилителя 3. Изрядное количество общих Отклонение -режима производится первой секцией, что подтверждается уравнениями \ ref {6.8} и \ ref {6.9}. Поскольку инвертирующий и неинвертирующий коэффициенты усиления почти одинаковы для очень высоких значений, высокие входные коэффициенты усиления стремятся оптимизировать CMRR системы.Остальные синфазные сигналы затем можно обработать операционным усилителем 3.

Пример \ (\ PageIndex {1} \)

Инструментальный усилитель, показанный на рисунке \ (\ PageIndex {4} \), используется для усиления выходного сигнала балансного микрофона. Выходной сигнал микрофона составляет пиковое значение 6 мВ (разность 12 м), а синфазный фоновый сигнал индуцируется в линиях с пиком 10 мВ (дифференциал 0 мВ). Если система имеет CMRR 100 дБ, каков выходной сигнал?

Рисунок \ (\ PageIndex {4} \): Инструментальный усилитель для примера \ (\ PageIndex {1} \).

Во-первых, давайте проверим выходы первой секции, чтобы убедиться, что не происходит клиппирования. Мы будем использовать суперпозицию и рассматривать полезный сигнал и гудящий сигнал отдельно.

\ [V_a = V_ {in-} (1+ \ frac {R_1} {R_2}) — V_ {in +} \ frac {R_1} {R_2} \ notag \]

\ [V_a = −6 мВ (1+ \ frac {20 k} {400}) — 6 мВ \ frac {20 k} {400} \ notag \]

\ [V_a = −306mV − 300mV \ notag \]

\ [V_a = −606mV \ notag \]

Выполнение того же вычисления для гудящего сигнала дает вклад

\ [V_a = 10 мВ \ влево (1+ \ frac {20 k} {400} \ вправо) –10 мВ \ frac {20 k} {400} \ notag \]

\ [V_a = 10 мВ \ notag \]

В худшем случае величины этих двух компонентов складываются, давая 616 мВ, что намного ниже ограничения.Те же результаты получены для \ (V_b \), за исключением того, что полезный сигнал положительный.

Теперь о выходном напряжении. Вторая секция имеет усиление

.

\ [A_v = \ frac {R_f} {R_i} \ notag \]

\ [A_v = \ frac {50 k} {10 k} \ notag \]

\ [A_v = 5 \ notag \]

Требуемый дифференциальный входной сигнал равен \ (V_b — V_a \), поэтому

\ [V_ {out} = A_v (V_b − V_a) \ notag \]

\ [V_ {out} = 5 (606 мВ — (- 606 мВ)) \ notag \]

\ [V_ {out} = 6.06 В \ notag \]

Этот результат также можно получить за один шаг с помощью уравнения \ ref {6.11}

\ [V_ {out} = (V_ {in +} — V_ {in-}) \ frac {R_f} {R_i} (1 + 2 \ frac {R_1} {R_2}) \ notag \]

\ [V_ {out} = 12 мВ \ frac {50 k} {10 k} (1 + 2 \ frac {20 k} {400}) \ notag \]

\ [V_ {out} = 6,06 В \ notag \]

Обратите внимание, что общий коэффициент усиления составляет 505. Поскольку этот усилитель не идеален, некоторый синфазный сигнал проходит. Он подавляется на 100 дБ по сравнению с полезным сигналом.5} \ notag \]

\ [V_ {out (cm)} = 50,5 \ mu V \ notag \]

Обратите внимание, что гудящий сигнал вначале был таким же сильным, как и желаемый, но теперь он во много раз меньше. Это стало возможным благодаря очень высокому CMRR инструментального усилителя.

Компьютерное моделирование

На рисунке \ (\ PageIndex {5} \) Multisim используется для моделирования усилителя из примера \ (\ PageIndex {1} \). Здесь используется простая 3-контактная модель операционного усилителя. Чтобы четко видеть подавление синфазного сигнала, желаемый дифференциальный входной сигнал установлен на синусоидальную волну 1 мВ, а синфазный сигнал установлен на 1 В постоянного тока.Первоначальное решение для смещения показывает, что операционные усилители 1 и 2 усиливают как переменную, так и постоянную части входа, в то время как подавление синфазного сигнала оставлено на усмотрение операционного усилителя 3. Об этом свидетельствует тот факт, что входные узлы последнего операционного усилителя оба видят одинаковый потенциал постоянного тока. На выходе синусоида была усилена примерно на 500, как и ожидалось. На выходе нет смещения постоянного тока, что указывает на отклонение синфазного сигнала постоянного тока.

Рисунок \ (\ PageIndex {5a} \): Инструментальный усилитель в Multisim.

Рисунок \ (\ PageIndex {5b} \): напряжение постоянного тока для инструментального усилителя.

Рисунок \ (\ PageIndex {5c} \): выходное переменное напряжение для инструментального усилителя.

Убедившись, насколько полезны инструментальные усилители, неудивительно, что производители производили эти устройства на одной ИС. Одним из таких устройств является LT1167 от Linear Technology. Этот усилитель подходит для множества приложений, включая мостовые усилители и дифференциальные преобразователи в несимметричные.По компоновке он очень похож на рисунок \ (\ PageIndex {3} \), с использованием резисторов 24,7 к \ (\ Omega \) для \ (R_1 \) и \ (R_3 \), и 10 к \ (\ Omega \). резисторы для \ (R_i \) и \ (R_f \). Он имеет типичный CMRR 115 дБ для усиления 10 и до 140 дБ для усиления 1000. Его входное сопротивление составляет минимум 200 G \ (\ Omega \). Коэффициент усиления устанавливается путем размещения соответствующего резистора между выводами настройки усиления. Прирост может быть приблизительно равен

.

\ [A_v = 1+ \ frac {49,4 k \ Omega} {R_g} \ notag \]

Для обеспечения превосходных высокочастотных характеристик некоторые инструментальные усилители включают разъемы для защитного привода.Это показано на рисунке \ (\ PageIndex {6} \).

Рисунок \ (\ PageIndex {6} \): Защита внутренних соединений диска.

Этот сигнал поступает с выходов первой секции. При использовании двух резисторов равного номинала дифференциальные сигналы подавляются, и, таким образом, сигнал охранного возбуждения равен синфазному сигналу. Затем этот сигнал буферизируется и используется для управления экранами входных проводов, как показано на рисунке \ (\ PageIndex {7} \).

Рисунок \ (\ PageIndex {7} \): Защитный диск.

Чтобы понять, как повышается производительность, см. Рисунок \ (\ PageIndex {8} \). Здесь кабели заменены на простую модель. \ (R \) представляет сопротивление кабеля, а \ (C \) представляет собой емкость кабеля. Кабельная модель — это не более чем сеть с задержкой. Как вы знаете, это вызывает спад высоких частот и изменение фазы. Если две секции не идентичны, спад и изменения фазы не будут одинаковыми в двух линиях. Эти изменения повлияют на синфазный сигнал и могут привести к ухудшению CMRR системы.В схеме возбуждения защиты экраны кабелей не заземлены на источнике сигнала. Они подключены только к выходу сторожевого буфера. Это важный момент. При подаче на экран сигнала, равного синфазному сигналу, напряжение на \ (C \) будет равно нулю. Оба конца конденсатора имеют одинаковый потенциал; следовательно, падение не существует. Это значительно снижает влияние кабеля.

Рисунок \ (\ PageIndex {8} \): Эквиваленты сети с несбалансированной задержкой.

Пример \ (\ PageIndex {2} \)

Сигнал, создаваемый преобразователем в системе автоматизации производства, обеспечивает номинальный уровень 0,1 В. Для правильного использования сигнал должен быть усилен до 1 В. Поскольку этот сигнал должен проходить через относительно шумную (электрически говоря) среду в производственном цеху уместен симметричный кабель с инструментальным усилителем. Используя LT1167, спроектируйте схему, отвечающую этим требованиям.

Для блока питания достаточно стандартного блока \ (\ pm \) 15 В.\ (R_g \) используется для установки желаемого усиления десяти.

Рисунок \ (\ PageIndex {9} \): Готовый инструментальный усилитель для примера \ (\ PageIndex {2} \).

\ [A_v = 1+ \ frac {49,4 k} {R_g} \ notag \]

\ [R_g = \ frac {49,4 k} {A_v −1} \ notag \]

\ [R_g = \ frac {49,4 k} {10-1} \ notag \]

\ [R_g = 5,489 к \ нотаг \]

Завершенная схема показана на рисунке \ (\ PageIndex {9} \).

.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *