Как работает инструментальный усилитель. » Хабстаб

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

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.

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

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.

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

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

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:

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 R_усил, имеют одинаковые номиналы,

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

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: R_усил.

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 R_усил (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

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 (V_CC) инструментальный усилитель на базе трех ОУ с чрезвычайно высоким коэффициентом усиления и входом и выходом rail-torail, аналогичный изображенному на рис. 1.

Чтобы V_OUT1 и V_OUT2 не достигали уровней шин питания, необходимо обеспечить выполнение следующего неравенства:

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

При V_REF = 0 неравенство принимает следующий вид:

При V_REF = V_CC/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 V_OUT и V_REF. Поскольку разность V_OUT–V_REF — 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 (V_OUT) 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 V_OUT = 0 или V_OUT = V_CC.

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

• Если требуется полностью усилить однополярный дифференциальный входной сигнал (устанавливая V_REF = 0 и получая диапазон выходных напряжений от 0 до V_CC), наряду с сигналом должно присутствовать синфазное напряжение, равное 1/2V_CC. При любом другом синфазном напряжении размах выходного напряжения не достигнет V_CC (максимальное дифференциальное входное напряжение уменьшится). Для биполярных дифференциальных входных сигналов (V_REF = 1/2V_CC) соответствующий диапазон синфазных напряжений, в котором можно достичь размаха выходного напряжения от 0 до V_CC, составляет всего от 1/4V_CC до 3/4V_CC.
• 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 V_CM, при которых сохраняется весь диапазон V_OUT. За пределами этой области некоторые сочетания V_DIFF и V_CM могут привести к недопустимым значениям V_CM. Обратите внимание, что в случае, изображенном на рис. 4a, если требуется изменение V_CM 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, V_IN+ > V_IN–, и синфазное напряжение находится в области, обозначенной как X на рис. 4 (V_DIFF превышает допустимое на ширину серой области).

Поскольку A1 насыщен (V_OUT1 = 0), он переходит в компараторный (нелинейный) режим работы, и напряжение на его инвертирующем входе более не будет обязательно равным напряжению на неинвертирующем входе (V_IN–). Усилитель A2 в этом случае действует как неинвертирующий усилитель с коэффициентом усиления, равным 1+R1/(R1+R_G) для напряжений на его неинвертирующем входе (V_IN+). Для усилителя с высоким коэффициентом усиления R_G << 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 V_OUT1 и V_OUT2:

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 V_CC 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 V_OS и высокий коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR) — основные требования к правильно сконструированному прецизионному инструментальному усилителю. Поскольку CMRR = DV_OS/DV_CM, изменение V_OS 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 g_M-каскада A равен входному току g_M-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 V_DIFF/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 V_CC = 5 В и V_REF = 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:

• V_IN+ — синусоидальный сигнал с размахом 2 В, частотой 100 Гц и смещением 1 В;
• (V_IN+–V_IN–) — 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:

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

Приведем результаты. (Канал 1 — V_IN+, канал 2 — V_IN–, 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 V_DIFF частотой 1 кГц слишком мала, чтобы быть заметной на осциллограммах каналов 1 и 2, а V_CM 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

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.

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.

Выходное напряжение ДУ при действии на входе сигналов U_Г1, U_Г2 с выходными сопротивлениями R_Г1,R_Г2 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 U_Г1=U_Г2=U_ВХ:

Так как, U_вых=U_ВХ·K_0СФ, то коэффициент подавления СФ сигнала К_ОСФ для ДУ в децибелах будет определяться как:

Из этой формулы также видно, что коэффициент подавления СФ К_ОСФ 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.

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

где R_oc1,2 – сопротивления резисторов ОС входных ОУ,
R_Ku – сопротивление, регулирующее коэффициент усиления ИУ.

Действие входного СФ сигнала (сигнала общей помехи) приводит к тому, что сигналы по цепям ОС входных ОУ на сопротивлении R_Ku 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 U_Г1 U_Г2, 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 K_U.ИУ=1. Приняв R₁=R₂=R₃=R₄=10 кОм, R_ОС1=R_ОС2=0 и R_KU=10 кОм, получаем заданное условие. Тогда принципиальная схема ИУ принимает вид:

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

Таблица 3.2 – Рабочие характеристики TL084ID при 25ºC

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 с_i – положительные действительные коэффициенты для i = 0,1,…,n, n – порядок фильтра, p = jΩ = j·f/f_c – 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 a_i,b_i – положительные коэффициенты.

Тип фильтра определяют коэффициенты a_i,b_i. 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:

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.

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

Отталкиваясь от значения конденсатора C₁, C₂ должно удовлетворять условию:

Тогда получаем значения резисторов R₁ и R₂:

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.

Фазо-частотная характеристика фильтра:

Из ФЧХ можно найти зависимость ГВЗ 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.

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

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.

Схема, реализующая такую передаточную характеристику показана на рисунке 3.13.

Усиление рассчитывается по формуле:

а сдвиг:

Произведем расчет. Так как U_п = ±12 В ОУ, то входное напряжение может достигать значений ±12 В. Для расчетов входное напряжение возьмем с запасом: U_ВХ = ±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 U_ст 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 U_ст = 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:

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 +U_оп. Может использоваться опорное напряжение +U_оп., 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.

3.5.2 Передаточная функция АЦП

В диапазоне входных напряжений АЦП от 0 до +U_оп. 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 = U_оп./2^N =(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.

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.

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.

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

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

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 U_вх = 5 В и U_вых = ±12 В является AM1L-0512D-NZ.

Таблица 3.4– Основные характеристики DC/DC преобразователя

Типовая схема подключения таких микросхем показана на рисунке 3.19.

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

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).

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.

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.

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

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

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

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

• 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

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

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

, 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.

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.

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?

  В  O  = G (V2 - V1)  

  G = 1+ (50 кОм   Ом / RG)  

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))  

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

  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