На примере этой схемы показано, как разрабатывать инвертирующие и неинвертирующие усилители с нестандартными программируемыми значениями коэффициентов усиления, чтобы оптимизировать соотношение размаха выходного сигнала датчика и диапазона входных напряжений АЦП.
Большинству систем выборки данных с широким динамическим диапазоном требуется подстройка уровня входного сигнала под диапазон входных напряжений АЦП, чтобы максимально возможный входной сигнал был как можно ближе к напряжению полной шкалы АЦП. (Типичные диапазоны полной шкалы АЦП находятся в пределах от 1 В до 10 В). Кроме того, может также потребоваться подстройка коэффициента усиления усилителя сигнала датчика, которая должна выполняться в реальном времени, например, для компенсации нелинейности в диапазоне температур. Для этого используют либо усилители с программируемым усилением (PGA), либо усилители с регулируемым усилением (VGA), размещаемые обычно между датчиком и АЦП (Рисунок 1).
 |
||
| Рисунок 1. | Программируемый усилитель в системе выборки данных необходим для согласования масштаба выходного сигнала датчика и диапазона входных напряжений АЦП – условия достижения максимального разрешения и минимального уровня шумов. |
|
Обычно такие усилители позволяют выбирать фиксированные коэффициенты усиления, значения которых в типичном случае находятся между 1 и 100. Некоторые приложения, такие как измерения уровней токов, для одновременной оптимизации диапазона выходных напряжений датчика и разрешения АЦП требуют использования конкретных коэффициентов усиления. В таких случаях необходимые коэффициенты усиления могут меняться от 1 до 1500 и более, а их величины не соответствуют значениям, которые можно получить с помощью коммерчески доступных PGA или VGA.
При выборе топологии схемы усилителя с очень высоким коэффициентом усиления необходимо учитывать, что слишком большие сопротивления (более 1 МОм) во многих случаях использовать нельзя из-за создаваемых ими шумов. Кроме того, если необходимо, чтобы усилитель имел очень точный коэффициент усиления, токи резисторов должны намного превышать токи смещения операционных усилителей. Это возможно только тогда, когда сопротивления резисторов не очень велики. С другой стороны, всегда необходимо (или желательно), чтобы входное сопротивление усилителя было достаточно высоким (не очень низким).
Две схемы удовлетворяющих всем перечисленным выше условиям усилителей с восемью коэффициентами усиления, программируемыми цифровым кодом, показаны на Рисунке 2. Хотя число значений коэффициентов усиления, которые можно реализовать с помощью этих схем, равно 2n, где n – количество MOSFET, независимо можно установить лишь n значений. Значения коэффициентов усиления в этих схемах легко адаптируются к требованиям практически любого рассматриваемого приложения.
|
||||||
| Рисунок 2. | Схемы инвертирующего (а) и неинвертирующего (б) усилителей имеют восемь программируемых коэффициентов усиления, устанавливаемых входными сигналами логического уровня D1, D2 и D3. |
|||||
На Рисунке 2а представлена схема инвертирующего усилителя, а на Рисунке 2б – ее неинвертирующая версия. В обеих схемах для выбора коэффициентов усиления используются цифровые сигналы D1, D2 и D3. Используемые MOSFET должны иметь логические уровни управления и как можно более низкие сопротивления открытого канала. Вполне подойдут транзисторы 2N7002P с типовым сопротивлением канала 1 Ом или IRLML2502 с типовым сопротивлением 0.05 Ом.
Ниже приведены выражения, с помощью которых можно рассчитать независимые коэффициенты усиления для схемы на Рисунке 2а:
В случае использования двух или более MOSFET, если входное напряжение VI станет слишком большим, паразитные диоды транзисторов начнут проводить ток, что приведет к искажению выходного напряжения усилителя. Чтобы этого не происходило, должно соблюдаться следующее условие:
где VF – прямое падение напряжения на паразитном диоде MOSFET (VF > 0).
Когда используется только один MOSFET, чтобы не допускать открывания паразитного диода, входное напряжение должно удовлетворять следующему соотношению:
Независимые коэффициенты усиления, которые можно выбрать в схеме на Рисунке 2б, равны:
При использования двух или более MOSFET в схеме на Рисунке 2б паразитные диоды начнут проводить ток и искажать выходное напряжение усилителя, если входное напряжение VI будет иметь слишком низкие отрицательные значения. Чтобы не допустить этого, необходимо соблюдать следующее условие:
Когда используется только один MOSFET, чтобы не допускать открывания паразитного диода, входное напряжение должно удовлетворять следующему соотношению:
На Рисунке 3 приведен пример практического применения микросхемы Рисунок 2а. В этом примере усилитель с управляемым коэффициентом используется для усиления выходного напряжения VI схемы, интегрирующей и фильтрующей сигнал, генерируемый поясом Роговского. Предположим, что опорные напряжения АЦП, преобразующего сигнал VO = k × I(t), равны 2.5 В и –2.5 В, чувствительность пояса Роговского равна 30 мкВ/А, интегратор-фильтр верхних частот на частоте 50 Гц имеет коэффициент усиления напряжения 1.2 (1.64 дБ), и мы хотим измерять переменные токи в диапазонах 1280, 320, 80 и 20 А с.к.з.
 |
||
| Рисунок 3. | В практической токоизмерительной системе в качестве датчика используется пояс Роговского. Выходной сигнал усиливается схемой, коэффициент усиления которой может быть установлен пользователем или системным контроллером для максимального использования разрешения АЦП. |
|
Для этого потребуются следующие коэффициенты усиления: G0 = –38.363, G1 = –153.452, G2 = –613.808 и G3 = –2455.2. Такие значения коэффициентов усиления можно обеспечить множеством различных комбинаций сопротивлений резисторов в схеме на Рисунке 2а. Ниже предложен простой и быстрый метод расчета необходимых значений номиналов резисторов.
Здесь мы выбрали наименьшее сопротивление резистора Rα, при котором сопротивление канала транзистора не оказывает существенного влияния на коэффициент усиления.
Коэффициенты усиления, полученные при использовании резисторов с рассчитанными сопротивлениями, будут следующими (теоретические значения показаны в квадратных скобках):
В случае использования схемы усилителя, показанной на Рисунке 2б, определить сопротивления резисторов, необходимые для получения коэффициентов усиления G0 = 38.363, G1 = 153.452, G2 = 613.808 и G3 = 2455.2, можно следующим образом:
Коэффициенты усиления, полученные при использовании резисторов с рассчитанными сопротивлениями, будут следующими (теоретические значения показаны в квадратных скобках):
