Новая архитектура инструментального усилителя с полностью дифференциальным выходом

Журнал РАДИОЛОЦМАН, январь 2019

Rusty Juszkiewicz, Analog Devices

Analog Dialogue

Вопрос:

Можно ли, используя инструментальный усилитель, получить дифференциальный выходной сигнал?

Ответ:

Стремление к повышению точности измерений диктует необходимость в полностью дифференциальных компонентах сигнальной цепи, одним из основных преимуществ которых является подавление помех, возникающих на пути прохождения сигнала. Кроме того, размах дифференциального сигнала может быть вдвое больше, чем несимметричного сигнала при том же напряжении источника питания. Поэтому при полностью дифференциальном сигнале отношение сигнал/шум выше. Классическая схема инструментального усилителя (ИУ) на трех операционных усилителях (Рисунок 1) имеет множество преимуществ, включая хорошее подавление синфазных сигналов, высокий входной импеданс и точное (регулируемое) усиление, но там, где требуется полностью дифференциальный выход, она использоваться не может. Существует несколько методов построения полностью дифференциального ИУ из стандартных компонентов. Однако у каждого есть свои недостатки.

Рисунок 1.	Классический инструментальный усилитель.

Один из методов заключается в управлении опорным выводом с помощью операционного усилителя (ОУ), неинвертирующий вход которого подключен к линии управления синфазным напряжением (V_{OUT_CM}), а инвертирующий – к средней точке двух согласованных резисторов, соединяющих выходы друг с другом (Рисунок 2). В этой конфигурации выход ИУ используется как положительный выход, а выход ОУ – как отрицательный. Поскольку два выхода представлены разными усилителями, несовпадение динамических параметров этих усилителей может существенно влиять на общие характеристики схемы. Кроме того, согласование двух резисторов приводит к тому, что выходное синфазное напряжение смещается вместе с выходным сигналом, что может стать причиной искажений. При выборе усилителей для такой схемы необходимо помнить про их устойчивость. Возможно, операционному усилителю потребуется конденсатор обратной связи, который будет ограничивать общую полосу пропускания схемы. И, наконец, диапазон коэффициентов усиления этой схемы определяется инструментальным усилителем. Поэтому получить усиление меньше единицы здесь невозможно.

Рисунок 2.	Использование внешнего операционного усилителя для формирования инвертирующего выхода.

Другой метод состоит в том, чтобы параллельно подключить два инструментальных усилителя, соединив их входы так, как показано на (Рисунке 3). Согласованность усилительных каскадов и частотные характеристики этой конфигурации лучше, чем в предыдущей схеме. Однако ее коэффициент усиления не может быть меньше двух. Для получения чисто дифференциального сигнала эта схема также требует точного согласования резисторов, задающих коэффициент усиления. Несогласованность резисторов приводит к сдвигу уровня выходного синфазного напряжения, с теми же последствиями, что и в случае предыдущей схемы.

Рисунок 3.	Использование второго инструментального усилителя для формирования инвертирующего выхода.

Таким образом, эти два подхода ограничивают выбор коэффициентов усиления и требуют согласования номиналов компонентов.

Новый метод перекрестного соединения

При показанном на Рисунке 4 перекрестном соединении двух инструментальных усилителей эта новая схема обеспечивает полностью дифференциальный выход с точным коэффициентом усиления или ослабления, устанавливаемым с помощью единственного резистора. При объединении двух опорных выводов пользователь получает возможность регулировать уровень выходного синфазного напряжения.

Рисунок 4.	Перекрестное соединение – решение для создания дифференциального выхода у инструментального усилителя.

Коэффициент усиления G для входа In_A выводится на основании приведенных ниже выражений. Ввиду того, что входное напряжение подается на неинвертирующие выводы входных буферов «ИУ 2» (Рисунок 5), а напряжения на других концах резисторов R2 и R3 равны 0 В, усиление этих буферов соответствует формуле для неинвертирующей конфигурации ОУ. Аналогично, усиление входных буферов «ИУ 1» описывается формулой для инвертирующей конфигурации ОУ. Поскольку сопротивления всех резисторов дифференциального усилителя согласованы, коэффициенты усиления выходных буферов равны единице.

Рисунок 5.	Самым важным для перекрестного соединения является согласованность внутренних резисторов инструментальных усилителей.

В силу симметрии, если напряжение V2 приложено к входу In_B при заземленном In_A, результат будет следующим:

Объединив два результата, получаем выражение для коэффициента усиления G схемы на Рисунке 5:

Резисторы R3 и R2 определяют усиление схемы, и только один из них необходим для получения полностью дифференциального сигнала. От того, какой из резисторов будет установлен, зависит полярность выходного напряжения. Если не устанавливать резистор R3, второй член выражения для коэффициента усиления будет равен нулю. Поэтому результирующий коэффициент усиления будет равен 2 × R1/R2. При отсутствии R2 в ноль обращается первый член выражения. В этом случае результирующий коэффициент усиления будет равен –2 × R1/R3. Еще один момент, на который следует обратить внимание, это то, что усиление выражается чистым отношением, и поэтому можно получить коэффициент усиления меньше единицы. Только имейте в виду, что, поскольку влияние резисторов R2 и R3 на усиление противоположно, при подключении обоих этих резисторов усиление первого каскада будет больше, чем выходного. Неудачный выбор сопротивлений резисторов может увеличить выходное смещение, обусловленное операционными усилителями первого каскада.

Для демонстрации использования этой схемы были соединены два инструментальных усилителя AD8221. Указанное в справочных материалах сопротивление резистора R1 равно 24.7 кОм. Это означает, что при R2 = 49.4 кОм можно получить усиление, равное двум.

На Рисунке 6 CH1 – это сигнал на входе In_A, CH2 – на выходе V_{OUT_A}, а CH3 – на выходе V_{OUT_B}. Выходы A и B согласованы и противофазны, а разность равна величине входного сигнала.

Рисунок 6.	Результаты измерений в схеме с перекрестным соединением инструментальных усилителей при G = 1.

Далее, перенеся 49.4 кОм из R2 в R3, получаем новый коэффициент усиления схемы, равный –1. Теперь противоположны фазы Out_A и входного сигнала, а разность между выходами равна величине входного сигнала (Рисунок 7).

Рисунок 7.	Результаты измерений в схеме с перекрестным соединением инструментальных усилителей при G = –1.

Как уже отмечалось выше, одним из ограничений других методов является невозможность аттенюации сигнала. Согласно формуле для коэффициента усиления, при R2 = 98.8 кОм схема ослабляет сигнал в два раза (Рисунок 8).

Рисунок 8.	Результаты измерений в схеме с перекрестным соединением инструментальных усилителей при G = ½.

И, наконец, чтобы получить высокий коэффициент усиления G = 100, было выбрано R2 = 494 Ом (Рисунок 9).

Рисунок 9.	Результаты измерений в схеме с перекрестным соединением инструментальных усилителей при G = 100.

Поведение схемы соответствует формуле для коэффициента усиления. Для достижения оптимальных характеристик этой схемы необходимо помнить о некоторых вещах. Отклонение от номинала и температурный дрейф сопротивлений резисторов, определяющих коэффициент усиления, добавляются к ошибке усиления ИУ, поэтому выбор этих резисторов должен основываться на требуемых уровнях точности. Поскольку емкости на выводах Rg инструментального усилителя могут оказывать негативное влияние на частотные характеристики, при проектировании высокочастотных схем на эти узлы следует обращать особое внимание. Кроме того, разность температур корпусов двух инструментальных усилителей может вызывать сдвиг выходного уровня в системе из-за дрейфа смещения, поэтому компоновка и разводка платы имеют здесь особое значение. Преодолеть эти потенциальные проблемы поможет использование сдвоенного ИУ, такого, например, как AD8222.

Заключение

Метод перекрестного соединения не только поддерживает требуемые характеристики инструментального усилителя, но и предоставляет при этом дополнительные функции. Хотя во всех рассмотренных примерах схемы имеют дифференциальный выход, в схеме с перекрестными соединениями, в отличие от других архитектур, несогласованность пар резисторов не влияет на синфазную составляющую выходного сигнала. Кроме того, как показывает формула для усиления, имеется возможность ослабления дифференциального сигнала, благодаря чему устраняется необходимость в усилителе-аттенюаторе, который требовался раньше в подобных схемах. И, наконец, полярность выходного сигнала определяется местом подключения резистора, задающего коэффициент усиления (R2 или R3), что дает пользователю дополнительную гибкость.

Материалы по теме