Прецизионный усилитель LT1881 компании Analog Devices

К современному контрольно-испытательному оборудованию, а также различной измерительной технике предъявляются повышенные требования в плане обеспечения точности выходного сигнала. Как правило, в таких устройствах необходимо усилить слабый входной сигнал, который подается с датчика, при этом усиленный выходной сигнал должен максимально точно повторять форму входного сигнала без искажений и помех. Для этих целей использование операционных усилителей общего назначения неприемлемо вследствие их не очень больших коэффициентов усиления, немалых напряжений смещения нуля, относительно больших уровней шумов и малых входных сопротивлений. Всех этих недостатков лишены прецизионные операционные усилители, которые являются рациональным выбором для решения таких задач.

В некоторых случаях помимо высокого коэффициента усиления, малых значений напряжения смещения, дрейфа нуля и входного тока требуется широкий диапазон питающего напряжения и выход rail-to-rail, при котором выходной сигнал может изменяться во всем диапазоне напряжения питания.

Зачастую такие требования сопровождаются желанием использовать недорогие компоненты. Всем этим требованиям могут удовлетворить прецизионные усилители LT1881 компании Analog Devices.

LT1881 представляют собой 2-канальный прецизионный усилитель с напряжением питания от 2,7 В до 36 В и выходом rail-to-rail. Так, выходное напряжение усилителя может изменяться в диапазоне от (–U_пит + 40 мВ) до (+U_пит – 220 мВ), что делает данный усилитель оптимальным решением для работы в низковольтных устройствах с однополярным источником питания, например, в устройствах с батарейным питанием. Хотя выходной сигнал может изменяться практически во всем диапазоне питающего напряжения, входной каскад ограничен диапазоном от (–Uпит + 1 В) до (+Uпит – 1 В). При выходе из данного диапазона коэффициент усиления может уменьшиться до 0, однако опрокидывание фазы не произойдет.

Усилитель LT1881 характеризуется очень низким входным током смещения, максимальное значение которого составляет 200 пА. Это позволяет поддерживать высокую точность при использовании источников с высоким сопротивлением. Таких низких входных токов смещения удалось добиться благодаря применению встроенной схемы компенсации. Также за счет этого токи смещения неинвертирующего и инвертирующего входов являются некоррелированными. Но в данном случае не нужно пытаться сбалансировать входные сопротивления на каждой входной линии, как это обычно рекомендуется для большинства усилителей. Чтобы минимизировать суммарную ошибку цепи, сопротивление на каждом входе должно быть как можно меньше.

Инвертирующие и неинвертирующие входные линии усилителя LT1881 имеют встроенную защитную цепь. На входах предусмотрена защита от электростатического разряда для предотвращения повреждений при работе с этими компонентами во время пайки, испытаний и т.п. Транзисторы на входах также имеют ограничивающие резисторы для защиты от перепадов входного напряжения до 10 В. Короткие переходные процессы выше этого уровня также будут допустимы.

Если на входах предполагается появление дифференциального напряжения выше 10 В, то для защиты усилителя следует использовать внешние ограничивающие резисторы.

Также данные усилители имеют очень малое напряжение смещения, максимальное значение которого составляет 50 мкВ, а дрейф напряжения смещения не превышает 0,8 μV/°C. Все это наряду со сверхмалым током смещения позволяет использовать их в составе высокоточных измерительных систем и инструментальных усилителей, способных работать в зашумленных помехами средах. Кроме того, благодаря расширенному диапазону рабочих температур от –55 °C до 125 °C усилитель LT1882MP может применяться в высокотемпературных приложениях.

Одним из применений, где компоненты LT1881 могут стать оптимальным вариантом для усиления слабых сигналов с датчиков в зашумленных средах, являются схемы усиления сигналов с термопар и мостов Уитстона. На рисунке 1 показан пример использования LT1881, работающего в составе питаемого напряжением +3,3 В высокоточного цифрового термометра, способного измерять температуру в пределах от –50 °C до 600 °C. Здесь LT1881 усиливает слабый сигнал с моста Уитстона, в одном из плечей которого используется термометр сопротивления (RTD), обозначенный как RT. Усиленный сигнал затем поступает в цифровую систему сбора данных LTC1287, в основе которой лежит 12-разрядный АЦП.

 

Рисунок 1. Применение LT1881 в составе цифрового термометра.

 

Также данные усилители могут применяться совместно с ЦАП для формирования выходного сигнала и обеспечения опорного напряжения. На рисунке 2 представлена такая схема совместной работы 16-разрядного ЦАП LTC1597 и LT1881. Сам ЦАП питается лишь напряжением +5 В, а второй операционный усилитель в составе LT1881, питаемый напряжением ± 5 В, инвертирует опорное напряжение +5 В с использованием внутренних прецизионных резисторов ЦАП, формируя тем самым отрицательное опорное напряжение, позволяющее в свою очередь формировать на выходе ЦАП биполярные сигналы.

Первый усилитель в составе LT1881 обеспечивает на выходе преобразование «ток-напряжение» и работает в качестве выходного буфера.

Рисунок 2. Совместная работа ЦАП LTC1597 и усилителей LT1881.

Прецизионный усилитель LT1881 компании Analog Devices сочетают в себе высокий коэффициент усиления, малые значения напряжения и тока смещения, низкий уровень шума, широкий диапазон питающего напряжения и выход rail-to-rail. Эти усилители благодаря сверхмалым входным токам смещения, напряжениям смещения и дрейфу отлично зарекомендовали себя для применения в высокоточных измерительных системах.

Московский институт электронной техники

КАФЕДРА РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

КУРСОВАЯ РАБОТА

ПРЕЦИЗИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

Выполнил:

Преподаватель: Ильенков В.

Г.

МОСКВА, 2002

Введение.

Прецизионные усилители характеризуются стабильным коэффициентом усиления в заданном диапазоне рабочих частот и температур. Они широко используются в системах сбора данных, в устройствах выборки и хранения сигнала, телеметрических системах и измерительной технике. Основным звеном прецизионного усилителя является операционный усилитель. Операционным усилителем называется усилитель, предназначенный для выполнения математических операций при использовании его в схеме с обратной связью. Однако область применения ОУ, выполненного в виде микросхемы значительно шире. Поэтому в настоящее время под ОУ принято понимать микросхему – усилитель тока, позволяющий строить узлы аппаратуры, функции и технические характеристики которых зависят только от свойств цепи обратной связи, в которую он включён.

Техническое задание.

Необходимо спроектировать усилитель согласно следующим требованиям:

Коэффициент передачи К₀ = 10⁵

Нестабильность коэффициента передачи К₀=3% Минимальная рабочая температура T_min = -30

C

Максимальная рабочая температура T_max = +60 C

Нижняя граничная частота f_н=20 Гц

Верхняя граничная частота f_в=30 кГц

Коэфициент частотных искажений М_в = 0. 5 дБ

Входное сопротивление R_вх = 200 кОм

Сопротивление нагрузки R

н = 10 кОм

Напряжение генератора входного сигнала U_г = 0.02 мВ

Анализ технического задания.

Как можно видеть из требований, данный усилитель является прецизионным. Соответственно резисторы, отвечающие за коэффициент усиления каждого каскада должны быть также прецизионными. Конденсаторы, используемые в качестве фильтров, могут иметь достаточно большую погрешность. Согласно техническому заданию коэффициент усиления данного прибора равен 10⁵. Исходя из этого, рационально было бы из возможных вариантов выбрать схему на трех каскадах, т. к. в данном случае номиналы элементов будут иметь стандартные значения. Высокое входное сопротивление позволяет включить первый каскад неинвертирующим.

Расчёт и выбор операционного усилителя.

Расчёт прецизионного усилителя следует начинать с выбора типа операционного усилителя. Основные параметры операционного усилителя должны удовлетворять условиям:

1. максимальное выходное напряжение ОУ U_{вых :}

U_вых  1.2U_{m вых. max}= 1.2К₀ U_{m вх,max} = 1.2*10⁵*0.02*10^-3 = 2.4 В;

2. Cкорость нарастания выходного напряжения ОУ:

V_{u вых}  2f_вU_{m вых. max} = 2*3.14*2*30*10^-3= 0.377В/мкс;

3. Допустимое сопротивление нагрузки ОУ(приводится в паспорте на микросхему)

R_{н max} R_н = 10 кОм;

4. Величина напряжения источника питания U_п  U_вых +2В = 4. 4 В.

Выберем типовое значение источника питания в 5 В.

U_п = 5 В;

5. Нестабильность коэффициента усиления ОУ К можно определить из следующей формулы

_max, где — температурный дрейф коэффициента усиления равный (0.51.5) %/С, Т_{мах —} максимальный интервал температур

Т_маx = 90 ^оС

К = 0.5*1 %/С*90С = 45 %;

Теперь пользуясь полученными данными, рассчитаем для различных n’ (число каскадов в ПУ), начиная с единицы, величину К_R – относительную погрешность коэффициента усиления ПУ, обусловленную неточностью резисторов в цепи ООС и их нестабильностью. Для этого воспользуемся формулой (принимая К=104000 ):

;

n’ = 1 = -88 %

n’ = 2 = 0. 72 %

n’ = 3 = 0.62 %

n’ = 4 = 0.48 %;

Выбираем соответствующую n’ = 3 , т.к. при меньшем числе каскадов не удаётся подобрать ОУ из-за слишком большой частоты единичного усиления. Делать данный усилитель на трех, а не на двух каскадах удобнее, так как значения элементов схемы будут иметь стандартные значения. Теперь, зная число каскадов, можно рассчитать частоту единичного усиления f₁. Рассчитывается она по формуле

.

Итак, получены следующие параметры необходимые для выбора подходящего ОУ:

U_вых 2.4 В; V_{u вых} 0.377 В/мкс; R_{н max} 10кОм; f₁7.05 МГц;

Согласно имеющимся справочным данным наиболее подходящий полученным требованиям и требованиям технического задания оказывается усилитель 154УД4А. Приведём ряд данных по этому усилителю.

Коэффициент усиления К=104 В/мВ;

Напряжение смещения нуля U_см = 5 мВ;

Входные токи I_вх=1200 нА;

Разность входных токов DI_вх = 300 нА;

Частота единичного усиления f₁ = 30 МГц;

Скорость нарастания выходного напряжения V_{u вых} = 400 В/мкс;

Коэффициент ослабления синфазного сигнала К_оссф = 70дБ;

Потребляемый ток I_пот = 7 мА;

Максимальное выходное напряжение U_{вых. мах} = 10 В;

Схема включения операционного усилителя.

Схема включения операционного усилителя 154УД4А приведена на рисунке:

Выберем коэфициэнты усиления каждого каскада: K₁=40, K₂=50, K₃=50.

Прецизионные операционные усилители (Vos

Мы предлагаем самый широкий в отрасли портфель прецизионных операционных усилителей для широкого спектра приложений, таких как автомобильная, промышленная, приборостроительная и аэрокосмическая. Наши устройства созданы с использованием самых современных запатентованных технологий, которые обеспечивают очень маленькое смещение, дрейф и сверхнизкий уровень шума, что позволяет выполнять измерения с высоким разрешением

Выбор по параметрическому заданию

Найдите прецизионный операционный усилитель, который наилучшим образом соответствует потребностям вашего проекта

Откройте для себя рекомендуемые приложения

Многопараметрический мониторинг пациента

Повысьте эффективность мониторинга пациента, разработав наши устройства со сверхнизким энергопотреблением и малым смещением.

Оборудование для тестирования аккумуляторов

Усовершенствуйте свои решения для тестирования аккумуляторов во всем диапазоне промышленных температур с помощью устройств с малым смещением смещения.

Оптический модуль

Отдавайте предпочтение пространству на плате и точности сигнала при разработке оптических модулей с помощью самых миниатюрных в отрасли прецизионных устройств.

Гибридные, электрические и силовые системы

Проектирование для обеспечения точности и безопасности HEV/EV с помощью нашего универсального портфолио сертифицированных автомобильных прецизионных устройств.

Модуль аналогового ввода

Оптимизируйте внешний вид вашего модуля аналогового ввода с помощью устройств с малым смещением и низким уровнем шума.

Оборудование для испытаний полупроводников

Усовершенствуйте свои решения для испытаний полупроводников с помощью нашего разнообразного ассортимента прецизионных усилителей и усилителей мощности.

Повысьте эффективность наблюдения за пациентом, разработав наши устройства со сверхнизким энергопотреблением и малым смещением.

Наши прецизионные усилители обеспечивают высокоточные измерения, отвечающие вашим требованиям к многопараметрическому мониторингу пациента. Наши небольшие корпуса и усилители со сверхнизким энергопотреблением предлагают решение для развивающейся области портативного мониторинга.

• См. видео, в котором приведены рекомендации по портативному мониторингу и устройствам (см. OPA391).
  
• Разработайте схему привода правой ноги с прецизионным усилителем с высоким CMRR, чтобы подавить шум линии электропередачи (см. OPA2328).
• Интерфейс с электродами с высоким импедансом за счет буферизации входа с помощью усилителя со сверхнизким током смещения (см. OPA392).

Рекомендуемые ресурсы

ЭТАЛОННЫЕ ПРОЕКТЫ

• TIDA-010005 — Эталонный проект программно-конфигурируемого модуля обнаружения кардиостимулятора
• TIDA-010043 — Эталонный проект эффективного сильноточного линейного драйвера светодиодов для SpO2 и других медицинских приложений

ПРОДУКТЫ

• OPA2328 — двухканальный, прецизионный, напряжение смещения 50 мкВ, широкополосный операционный усилитель RRIO CMOS 40 МГц
• OPA392 — одиночный, с малым смещением (0,01 мВ), с низким уровнем шума (6 нВ/ртГц), фемтоамперный ток смещения, RRIO, операционный усилитель e-trim™
• OPA391 — Микромощный одиночный высокоточный операционный усилитель RRIO с малым током смещения и высоким отношением скорости к мощности

Усовершенствуйте свои решения для тестирования аккумуляторов во всем диапазоне промышленных температур с помощью устройств с малым смещением смещения.

Наши прецизионные усилители и эталонные конструкции помогут вам создать оборудование для тестирования батарей, оптимизированное по цене и производительности. Наши устройства со сверхнизким дрейфом и малым смещением уменьшают системные ошибки и обеспечивают точность в широком диапазоне температур.

• Оптимизация времени отклика цепей контура управления. Улучшите формирование батареи и испытайте пропускную способность с прецизионным буфером для выхода ЦАП (см. OPA2145 с технологией MUX).
• Повышение точности контура управления напряжением и током с помощью прецизионного усилителя с малым смещением и малым смещением смещения без ущерба для эффективности или скорости (см. OPA205 и TLV07).
  

Избранные ресурсы

ЭТАЛОННЫЕ ПРОЕКТЫ

• TIDA-01040 — Эталонный проект тестера батарей для сильноточных приложений
• TIDA-010086 — эталонный проект цифрового управления для экономичных систем тестирования батарей

ПРОДУКЦИЯ

• OPA205 – прецизионный биполярный операционный усилитель rail-to-rail с малым входным током смещения и низким уровнем шума
• TLV07 — Прецизионный, 36 В, малошумящий, линейный выход, операционный усилитель
• OPA2145 — двойной, 5,5 МГц, высокая скорость нарастания, малошумящий, маломощный, прецизионный операционный усилитель RRO на JFET

Отдайте предпочтение пространству на плате и точности сигнала при разработке оптических модулей с помощью самых компактных в отрасли прецизионных устройств.

Мы предлагаем самые маленькие в отрасли прецизионные усилители, отвечающие вашим требованиям к конструкции оптических модулей. Наши прецизионные усилители сохраняют точность сигнала в каскадах с высоким коэффициентом усиления, обеспечивая сверхнизкое входное напряжение смещения и ток смещения.

• Для контроля тока с помощью шунтирующих резисторов требуются прецизионные усилители с малым смещением (см. OPA2376 и OPA2392 WCSP).
• Решения по смещению лазера реализуются с помощью наших прецизионных усилителей с высокой выходной мощностью (см. OPA2333P).
• Трансимпедансные усилители в качестве альтернативы нашим усилителям с малым входным током смещения (см. OPA3s328 со встроенными переключателями и OPA2328).

Избранные ресурсы

ЭТАЛОННЫЕ ПРОЕКТЫ

• TIDA-01525 — 8-канальный, 16-битный, токовый выход 200 мА, эталонный дизайн ЦАП

ПРОДУКЦИЯ

• OPA2392 – Двойной операционный усилитель e-trim™ с низким смещением (10 мкВ) и низким уровнем шума (6 нВ/√Гц) на фемтоамперном токе смещения
• OPA2328 — Двухканальный прецизионный операционный усилитель RRIO CMOS с напряжением смещения 50 мкВ, широкополосный 40 МГц
• OPA3S328 — Высокоскоростной (40 МГц), высокоточный (60 мкВ) малошумящий операционный усилитель со встроенными переключателями усиления

Разработка для обеспечения точности и безопасности HEV/EV с нашим универсальным портфелем сертифицированных автомобильных прецизионных устройств.

Ведущие в отрасли прецизионные усилители сводят к минимуму ошибки для ключевых приложений HEV/EV. Объедините операционные усилители с малым смещением, инструментальные усилители с высоким CMRR (INA333-Q1) и усилители мощности с высоким выходным током, чтобы удовлетворить проектные требования.

• Используйте наши усилители с нулевым дрейфом (OPAx388-Q1) для точных измерений батареи, быстродействующих защитных блокировок и точных показаний температуры.
  
• Используйте наше интегрированное решение, драйвер резольвера ALM240x-Q1 со встроенными функциями защиты, необходимыми для определения положения.
• Соответствие проектным требованиям ASIL с устройствами функциональной безопасности TI

Рекомендуемые ресурсы

ЭТАЛОННЫЕ ПРОЕКТЫ

• TIDA-01168 — Эталонный проект двунаправленного преобразователя постоянного тока в постоянный для автомобильных систем 12/48 В
• TIDA-03050 — автомобильная промышленность, диапазон мА-кА, эталонный проект датчика токового шунта
• TIDA-020018 – Эталонный проект автомобильного изолированного датчика тока на основе шунта для приложений DC/DC и OBC

ПРОДУКЦИЯ

• ALM2403-Q1 – Автомобильный двухканальный высоковольтный операционный усилитель мощности с низким уровнем искажений для преобразователей частоты
• OPA2388-Q1 — двойной прецизионный прецизионный прецизионный усилитель с широкой полосой пропускания, сертифицированный для автомобильной промышленности, с нулевым дрейфом и кроссовером
• INA333-Q1 — автомобильный маломощный прецизионный инструментальный усилитель с нулевым дрейфом

Оптимизируйте внешний вид вашего модуля аналогового ввода с помощью устройств с малым смещением и низким уровнем шума.

Прецизионные усилители

обеспечивают высокоточное преобразование сигналов на входе модулей аналогового ввода. Наши прецизионные усилители с низким уровнем шума, малым дрейфом и малой мощностью обеспечивают высокую производительность в различных конструкциях модулей аналогового ввода.

• Аналоговые входные каскады требуют низкого напряжения смещения и усилителя с малым дрейфом для поддержания высокой точности (см. OPA2387).
  
• Буферизация входа с помощью встроенного усилителя с защитой от перенапряжения на входе (±60 В, макс.) позволяет избежать ошибок, вызванных внешними схемами защиты (см. OPA2206).
• Малошумящий усилитель часто требуется для поддержания высокого разрешения и отношения сигнал/шум (см. OPA182).

Рекомендуемые ресурсы

ЭТАЛОННЫЕ ПРОЕКТЫ

• TIDA-00764 — 8-канальный изолированный высоковольтный модуль аналогового ввода Эталонный проект
• TIPD164 — модуль аналогового ввода для промышленных выходов и датчиков температуры, эталонная конструкция

ПРОДУКТЫ

• OPA2387 — сверхвысокоточный операционный усилитель с нулевым дрейфом и малым входным током смещения
• OPA2206 — OVP ±40 В, маломощный, малошумящий прецизионный усилитель с e-trim™ и входными транзисторами super beta
• OPA182 — высокоточный, 36 В, 5 МГц, одиночный, малошумящий, с нулевым дрейфом, мультиплексорный усилитель

Усовершенствуйте свои решения для испытаний полупроводников с помощью нашего разнообразного ассортимента прецизионных усилителей и усилителей мощности.

Наши прецизионные усилители помогут вам реализовать высокоточные решения для испытаний полупроводников. Точные измерения возможны благодаря нашему большому выбору прецизионных усилителей с широким диапазоном напряжений питания, широким диапазоном частот и малым сдвигом и дрейфом.

• Цепи возбуждения ИУ с нашими усилителями мощности (см. OPA462 и OPA593) допускают работу с широким диапазоном напряжения питания (от 8 до 180 В), широкой полосой пропускания (до 18 МГц) и высоким выходным током (200 мА, тип.).
• Наши усилители мощности обеспечивают высокую точность измерений напряжения/тока благодаря их малому шуму (2,2 нВ/Гц на частоте 1 кГц) и малому дрейфу напряжения смещения (макс. 35 мкВ) (см. OPA2210).

Рекомендуемые ресурсы

ЭТАЛОННЫЕ ПРОЕКТЫ

• TIDA-01055 – Эталонный проект оптимизации буфера опорного напряжения АЦП для высокопроизводительных систем сбора данных

ПРОДУКЦИЯ

• OPA593 – 85-В, 100-мкВ, широкополосный (10 МГц) прецизионный операционный усилитель с высоким выходным током (250 мА)
• OPA2210 — сверхнизкий уровень шума (2,2 нВ/√Гц), супербета (0,3 нА), высокая точность (5 мкВ, 0,1 мкВ/°C), 36 В, двойной операционный усилитель
• OPA462 — 180 В, широкая полоса пропускания (6,5 МГц), стабильный операционный усилитель с высокой скоростью нарастания (25 В/мкс) с единичным коэффициентом усиления

Ресурсы для проектирования и разработки

Оценочная плата

Универсальный модуль оценки схемы усилителя «сделай сам» (DIY)

DIYAMP-EVM — это уникальное семейство оценочных модулей (EVM), которое предоставляет инженерам и любителям самостоятельной сборки (DIYers) схемы реальных усилителей, позволяя быстро оценивать концепции проекта и проверять модели. Он доступен в трех стандартных корпусах (SC70, SOT23, SOIC) и (…)

.

Инструмент моделирования

PSpice® for TI инструмент проектирования и моделирования

PSpice® for TI — это среда проектирования и моделирования, помогающая оценить функциональность аналоговых схем. В этом полнофункциональном пакете для проектирования и моделирования используется модуль аналогового анализа от Cadence®. Доступный бесплатно PSpice для TI включает в себя одну из самых больших библиотек моделей в (…)

Прецизионные операционные усилители (Vos ≤1 мВ и TCVos ≤2 мкВ/Кл)

Широкий ассортимент прецизионных усилителей Analog Devices предоставляет лучшую в отрасли поддержку разработчикам, нуждающимся в традиционных технологиях усилителей с подстройкой и нулевым дрейфом. Наше семейство прецизионных усилителей помогает сохранить точность информации о постоянном токе во входящем сигнале с низким напряжением смещения (VOS

Таблица выбора продуктов

Последние ресурсы

• Примечания по применению

  Медицинские ультразвуковые решения ADI

• Примечания по применению

  Решения Analog Devices для электрофизиологических систем трехмерного картографирования сердца

• Технические статьи

  Как защититься от перенапряжения в аналоговых входных каскадах с помощью сверхмощных усилителей

Все ресурсы

Основные характеристики продукта

• Семейство ADA4177 — установление отраслевых стандартов надежности PDF

Технические статьи

• Можно ли получить точность ppm от операционных усилителей?

  Аналоговый диалог

• Анализ шума входного тока с эффектом свертывания четных гармоник в операционном усилителе с прерывателем

  Аналоговый диалог

• Чоп или авто-ноль: вот в чем вопрос

Руководство по выбору продукции

• Прецизионные продукты и решения для сигнальных цепей: руководство по выбору, 2019 г.