Greg Davis
Electronic Design
Будь то хирургический инструмент для коррекции зрения или заводской пресс, инструментальные усилители предлагают отличный способ усиления микровольтовых сигналов датчиков с одновременным подавлением больших синфазных сигналов
Раньше термин «инструментальный усилитель» (ИУ) часто использовался неправильно, указывая на область применения, а не на архитектуру устройства. ИУ относят к операционным усилителям (ОУ), поскольку они основаны на той же архитектуре, однако ИУ – это специализированная версия операционного усилителя. Особенностью ИУ является высокое дифференциальное усиление, необходимое для усиления сигналов датчиков микровольтовой амплитуды с одновременным подавлением больших синфазных сигналов, уровень которых может достигать нескольких вольт. Это важно, поскольку изменение выходного сигнала напряжения или тока некоторых датчиков относительно мало, и это небольшое изменение надо измерить с высокой точностью.
Давайте рассмотрим несколько приложений, для которых создаются и в которых используются ИУ. Например, это может быть хирургический инструмент для коррекции зрения, движение которого задается шаговыми двигателями на основании сигналов, получаемых от датчиков. Высокая точность здесь имеет решающее значение, и при этом остальное оборудование операционной не должно искажать сигналы датчиков, чтобы не привести к непоправимым последствиям.
Другим примером могут служить промышленные прессы. Для придания металлу нужной формы такие машины прикладывают усилия в тысячи фунтов. Эти прессы конструируются таким образом, чтобы при обнаружении в рабочей зоне руки человека они немедленно останавливались. В данном случае очень важно, чтобы электрические помехи от другого заводского оборудования не могли нарушить работу системы защиты.
В обоих перечисленных случаях сигнал датчика свой первый шаг совершает через инструментальный усилитель. Слабый сигнал датчика должен быть точно усилен, независимо от окружающих условий. Инструментальные усилители разработаны именно для этого – точно усиливать слабые сигналы в условиях окружающей среды, зашумленной электрическими помехами.
Но высокое дифференциальное усиление – не единственный параметр, делающий ИУ высокоэффективным устройством. Для увеличения времени автономной работы от батареи важна низкая мощность потребления. Низкое рабочее напряжение позволяет использовать глубоко разряженную батарею, что также увеличивает время ее использования. Широкий диапазон входных напряжений обеспечивает совместимость с бóльшим числом датчиков. И, наконец, согласование входного импеданса упрощает их подключение.
Как эволюционировала конструкция ИУ
На протяжении многих лет разработчики создавали новые схемы ИУ, чтобы использовать их преимущества в потребительских, медицинских и промышленных приложениях. Давайте взглянем на эволюцию конструкций ИУ, начиная от первых образцов, до инструментальных усилителей, доступных сегодняшнему разработчику. Изучая эти архитектуры с их достоинствами и недостатками, мы покажем, как совершенствовались характеристики этих приборов, и что они дают реальным приложениям.
Прежде чем углубляться в различия подходов и вариантов, давайте сначала посмотрим, чего мы пытаемся достичь, используя схему на Рисунке 1.
 |
||
| Рисунок 1. | Блок-схема интерфейса датчика на основе ИУ. | |
Выходы датчика подключены к входам ИУ, усиливающего дифференциальное напряжение. Помехи попадают из многих источников, как в излучаемой, так и в кондуктивной форме. Типичные помехи могут приходить из импульсных источников питания, моторов и беспроводных устройств. Такие помехи ослабляются экранированием и хорошей разводкой печатной платы, но часть их, все-таки, проникает в схему.
К счастью, большинство из этих помех проявляет себя как синфазное напряжение (VCM), наложенное на дифференциальное входное напряжение датчика (VDM), поэтому правильно сконструированная измерительная схема с хорошим коэффициентом подавления синфазного сигнала (CMRR) значительно уменьшит это напряжение, поддерживая высокую точность коэффициента усиления. Минимальное значение CMRR для постоянного напряжения обычно приводится в технических спецификациях, в то время как для переменного тока CMRR представляется в виде графиков частотных зависимостей.
Дискретный дифференциальный усилитель
Если нужно усилить разность напряжений на выходах датчика, подойдет и простой дифференциальный усилитель, но такая схема будет иметь множество недостатков. В простейшей реализации этой схемы, приведенной на Рисунке 2, при однополярном питании напряжение VIN+ смещено на величину VREF, в типичном случае равном половине напряжения питания.
 |
||
| Рисунок 2. | Дискретный дифференциальный усилитель. | |
Разработанный для усиления дифференциальных напряжений, операционный усилитель сам по себе имеет хороший CMRR, но все портят окружающие его схемы. Любое рассогласование сопротивлений внешних резисторов, включая несогласованность любых делителей, подключенных к VREF, ограничивает способность ОУ подавлять синфазные сигналы и, соответственно, уменьшает CMRR. Резисторы просто не могут иметь такие допуски, чтобы обеспечивать уровни CMRR, ожидаемые от ИУ.
С помощью приведенной ниже формулы можно оценить влияние допуска номиналов резисторов TR на коэффициент подавления синфазного сигнала CMRRDIFF дифференциального усилителя с коэффициентом усиления G = 1 В/В:
- Если TR = 1%, наихудшее значение CMRRDIFF будет равно 34 дБ;
- Если TR = 0.1%, наихудшее значение CMRRDIFF будет равно 54 дБ.
В этой формуле K – разброс отношений сопротивлений резисторов R1/R2 и R3/R4, который в худшем случае может составлять 4TR:
Коэффициент передачи усилителя, усиливающего дифференциальное входное напряжение, равен
Проблема заключается в том, что дифференциальное напряжение (VIN- и VIN+) включает наложенные шумы, и любое синфазное напряжение, не подавленное из-за плохого CMRR, будет усилено схемой, в результате чего выходной сигнал будет искажен шумами.
У этого простого решения есть и другие недостатки. Обычно входной импеданс операционного усилителя очень высок и находится в диапазоне от мегаом до гигаом. Однако подключение цепей обратной связи и опорного напряжения приводит к снижению и разбалансу импеданса, в результате чего увеличивается нагрузка датчика и уменьшается точность измерений. Если такая схема будет усиливать слабый сигнал датчика, низкая точность усиления при наличии шумов сделает ее непригодной для целей измерения.
Вариант на трех микросхемах операционных усилителей
На Рисунке 3 показана распространенная схема ИУ, выпускаемого в виде одной интегральной схемы. Схема состоит из двух каскадов. Первый каскад содержит два инвертирующих буферных усилителя, а выходной каскад представляет собой традиционный дифференциальный усилитель. Сопротивления используемых в микросхеме внутренних резисторов согласованы с очень высокой точностью, достижимой лишь с помощью лазерной подгонки на кристалле, позволяющей достичь намного лучших значений CMRR.
 |
||
| Рисунок 3. | Вариант на трех микросхемах операционных усилителей. | |
Усилители входного каскада обеспечивают высокий импеданс, минимизирующий нагрузку на датчики. Резистор RG, устанавливающий величину коэффициента усиления, позволяет разработчикам выбрать любое значение из рабочего диапазона устройства, в типичном случае находящегося в интервале от 1 В/В до 1000 В/В.
Выходной каскад представляет собой обычный дифференциальный усилитель. Отношение сопротивлений внутренних резисторов R2/R1 определяет коэффициент усиления внутреннего дифференциального усилителя, который для большинства ИУ равен 1 В/В, поскольку общее усиление обеспечивается усилителями входного каскада. Сбалансированные сигнальные тракты между входом и выходом гарантируют отличный CMRR.
Конструкция проста в реализации, занимает немного места на плате и требует меньшего количества компонентов, а значит, снижается и стоимость системы. Кроме того, при использовании вывода VREF схема совместима с однополярными источниками питания. Однако и эта схема требует учета определенных ограничений.
Благодаря согласованию внутренних резисторов дифференциального усилителя, ИУ на трех ОУ имеет высокий CMRR для постоянного напряжения, но для переменного напряжения CMRR может быть существенно ухудшен архитектурой обратной связи. Кроме того, из-за невозможности полного согласования паразитных емкостей, CMRR уменьшается с ростом частоты. Диапазон синфазных входных напряжений необходимо ограничивать до уровня, исключающего насыщение внутренних каскадов. Для получения наилучших характеристик схемы вывод VREF должен быть подключен к буферному усилителю. И, наконец, температурные коэффициенты внешних и внутренних резисторов, задающих коэффициент усиления, не могут быть согласованы в принципе, что также снижает CMRR.
Характер влияния согласованности резисторов на точность коэффициента усиления G определяется выражением
где
Решение на основе косвенной обратной связи по току
В ИУ с косвенной обратной связью по току (КОСТ) используется новый способ преобразования напряжения в ток (Рисунок 4). Он состоит из двух согласованных транскондуктивных усилителей (усилителей тока, управляемых напряжением – ред.) GM1 и GM2 и трансимпедансного усилителя A3 с большим коэффициентом усиления. В конструкции не используются согласованные резисторы, поэтому ей не нужны внутренние резисторы с лазерной подгонкой, что снижает затраты на производство. Еще одно преимущество этой схемы определяется тем, что ей не нужен ни один внешний резистор, согласованный с внутренними резисторами. Все что требуется – максимально хорошее согласование температурных коэффициентов внешних резисторов RF и RG, от которого напрямую зависит дрейф усиления.
 |
||
| Рисунок 4. | Вариант с косвенной обратной связью по току. | |
CMRR по постоянному току такого усилителя высок, поскольку синфазные сигналы удаляются усилителем GM1. С ростом частоты CMRR по переменному току уменьшается слабо. Как уже упоминалось, ИУ на основе трех ОУ имеют ограниченные диапазоны входных напряжений, что связано с необходимостью предотвращения насыщения внутренних узлов схемы. У усилителей с КОСТ размах выходного напряжения не связан с входным синфазным напряжением, что расширяет рабочий диапазон до значений, недостижимых для архитектуры с тремя ОУ.
Второй каскад (GM2 и A3) дифференциально усиливает сигнал и еще больше ослабляет синфазные шумы на VFG и VREF. Подав напряжение смещения к выводу VREF, этот усилитель также можно использовать в схемах с однополярным питанием.
Коэффициент усиления КОСТ ИУ равен
где VDM – дифференциальное напряжение, равное
Несколько типичных приложений, использующих ИУ для усиления сигналов датчиков, показано на Рисунке 5.
 |
||
| Рисунок 5. | Примеры типичных приложений, использующих ИУ для усиления сигналов датчиков. |
|
Заключение
Эволюция ИУ, следуя за ростом потребности в усилении слабых сигналов на фоне шумов, происходила на протяжении многих лет. Простейший подход – дискретный операционный усилитель – для использования в качестве ИУ непригоден. Интегральный ИУ, основанный на трех операционных усилителях, значительно превосходит первый вариант по ряду параметров, включая CMRR по постоянному току, хорошо сбалансированные и высокие входные импедансы, а также возможность установки усиления одним резистором. Тем не менее, имеются ограничения диапазона синфазных напряжений и трудности согласования температурных коэффициентов внутреннего и внешнего резисторов, влияющих на дрейф усиления. Кроме того, если не использовать буфер, вывод VREF также может оказывать отрицательное влияние на CMRR.
Решение на основе КОСТ также имеет высокий CMRR (даже на повышенных частотах), расширенный диапазон синфазных напряжений и не содержит внутренних резисторов с лазерной подгонкой, что сокращает производственные затраты и снижает температурный дрейф коэффициента усиления.
