РадиоЛоцман - Все об электронике

Расширение динамического диапазона высокоимпедансных датчиков

Analog Devices ADA4530-1

Mark Reisiger - Analog Devices

Аннотация

Измерение сигналов от датчиков с очень высоким импедансом является сложной задачей. Выходное сопротивление этих датчиков может измеряться тераомами (1×1012 Ом). Для измерения ничтожных сигнальных токов, создаваемые такими датчиками, как цилиндры Фарадея и фотодиоды, требуются усилители электрометрического класса. В трансимпедансной конфигурации (transimpedance amplifier, TIA) разрешение этих усилителей может достигать 1 фемтоампера (1×10–15 А). Многие приложения нуждаются в защите этих схем от перегрузки по входу. Компоненты защиты дороги и ухудшают характеристики схемы. В статье описываются эти схемы защиты, а также методы улучшения характеристик, одновременно снижающие стоимость устройств.

Необходимость в защите

Датчики с токовым выходом и высоким сопротивлением рассчитаны на работу с нулевым напряжением смещения. Схема TIA удерживает напряжение на датчике на уровне 0 В. Нулевое напряжение на датчике может быть тогда, когда весь ток датчика протекает через резистор обратной связи. Отрицательная обратная связь устанавливает на выходе усилителя напряжение, которое создает необходимый ток в резисторе обратной связи. Требуемое выходное напряжение, согласно закону Ома, равно току датчика, умноженному на сопротивление обратной связи.

Максимальный ток через резистор обратной связи ограничен размахом выходного напряжения усилителя. Напряжение датчика не может удерживаться равным нулю, если ток датчика превышает максимальный ток резистора обратной связи. Избыточный ток увеличивает напряжение на датчике до тех пор, пока этот ток не сможет пойти по альтернативному пути. В усилителе этот избыточный ток обычно принимают устройства защиты от электростатического разряда.

Для многих приложения такие перегрузки недопустимы, так как восстановление может занимать длительное время, а также мешать работе других каналов. Большие времена восстановления обусловлены емкостями, которые необходимо разряжать. Все емкости датчиков, кабелей и входов должны быть разряжены через резистор обратной связи, который ограничивает скорость разряда. Что еще хуже, диэлектрическая абсорбция (остаточная поляризация) этих изоляторов в ответ на изменения напряжения создает остаточные токи. Для полного рассеивания остаточных токов могут потребоваться минуты или часы. Еще одной проблемой являются помехи в системах с несколькими датчиками, расположенными близко друг к другу. Изменения напряжения на перегруженном датчике из-за емкостной связи передается на соседние каналы. Через эти емкости связи проникает ток, который искажает результаты измерений в соседних каналах.

Схемы ограничителей

Для решения проблем перегрузки по входу необходима схема ограничителя в цепи обратной связи. Ограничитель включает нелинейный элемент обратной связи, способный пропускать большие токи без высоких напряжений, ограничивающих выходной сигнал усилителя. Простой ограничитель обратной связи можно реализовать добавлением диода, параллельного резистору обратной связи (Рисунок 1). При уменьшении выходного напряжения диод (D1) начинает проводить ток от датчика. Экспоненциальная характеристика диода позволяет ему пропускать очень большие токи датчика без ограничения сигнала на выходе усилителя.

Эта универсальная точная схема нагрузки отдает постоянный ток или имитирует мощный переменный резистор.
Рисунок 1. Эта универсальная точная схема нагрузки отдает постоянный
ток или имитирует мощный переменный резистор.

Чтобы избежать ухудшения характеристик схемы, нужно правильно выбирать диод, используемый в ограничителе, что непросто для схем TIA с очень высоким импедансом. При низких выходных напряжениях диод ведет себя как резистор, сопротивление которого зависит от тока насыщения. Это сопротивление обычно называют параллельным сопротивлением диода. Параллельное сопротивление шунтирует резистор обратной связи, поэтому оно должно быть намного больше сопротивления резистора, чтобы не искажать передаточную характеристику трансимпедансного усилителя. Это сложная задача, так как параллельное сопротивление имеет экспоненциальную температурную зависимость; его значение уменьшается вдвое на каждые 10 °C повышения температуры. Огромные сопротивления обратной связи, используемые в схемах электрометров, требуют тщательного выбора диодов. Для этих компонентов требуются специально разработанные диоды с малой утечкой. Используется также диодное включение маломощных полевых транзисторов с управляющим p-n переходом. Эти специальные диоды, как правило, довольно дороги и стоят по несколько долларов за штуку.

Экспоненциальная вольтамперная характеристика диода также создает серьезное ограничение для этой схемы. Когда приложенное напряжение становится больше, чем тепловой потенциал (kT/q), экспоненциальная характеристика начинает преобладать, и линейность простого ограничителя схемы TIA начинает ухудшаться. При комнатной температуре тепловой потенциал составляет всего 26 мВ, что значительно сужает динамический диапазон схемы.

Частично преодолеть ограниченность выходного диапазона простого ограничителя можно с помощью использования защитных технологий (Рисунок 2). Напряжение на ограничительном диоде D1 привязано к нулю резистором R1. Усилитель может сделать уровень этого напряжения (VGUARD) низким через подключенный к выходу диод D2. Ограничение обратной связи начинается, когда VGUARD превысит тепловой потенциал, позволив диоду D1 проводить ток. Сопротивление резистора R1 должно выбираться с учетом того, что для создания этого падения напряжения он должен забирать из D2 значительный ток. Например, чтобы на резисторе 1 кОм упало напряжение 26 мВ, требуется ток диода 26 мкА; это значительно больше, чем десятки фемтоампер, необходимые простому ограничителю. Такие большие токи смягчают требования к выходному диоду. В качестве D2 могут использоваться обычные диоды вместо специальных диодов, требуемых для D1. Эта схема позволяет регулировать диапазон выходных напряжений путем замены D2 цепочкой диодов или одним стабилитроном. Подобные схемы также могут быть изменены для двунаправленного ограничения путем замены каждого диода соответствующими встречно-параллельными диодами или встречно-включенными стабилитронами.

Трансимпедансный усилитель с защищенным ограничителем на специальном диоде.
Рисунок 2. Трансимпедансный усилитель с защищенным ограничителем
на специальном диоде.

Защищенная схема обеспечивает значительное улучшение характеристик по сравнению с простым диодным ограничителем, но по-прежнему зависит от характеристик дорогого диода D1. Эти ограничения по цене и характеристикам можно устранить, используя электрометрический усилитель, имеющий внутренний защитный буфер, подключенный к внешним выводам. Одним из таких усилителей является микросхема ADA4530-1. К выходу внутреннего защитного буфера микросхемы подключены диоды защиты от электростатических разрядов (ЭСР). Это защитное напряжение поддерживает низкий уровень входного тока смещения, исключая падения напряжения на защитных диодах. Внутренние ЭСР-диоды имеют очень низкие токи утечки.

Трансимпедансный усилитель с ограничителем на диодах ЭСР-защиты.
Рисунок 3. Трансимпедансный усилитель с ограничителем на диодах ЭСР-защиты.

Интегрированные в микросхему ЭСР-диоды могут использоваться в схеме защищенного ограничителя (в оригинале «guarded limiter», – ред.), как это показано на Рисунке 3. Функцию специального диода D1 теперь выполняют они. Охранный буфер имеет на выходе сопротивление 1 кОм, работающий как резистор R1. Единственный остающийся в схеме внешний компонент – диод D2. Этот выходной диод включен между выводом защитного буфера и выходом. Схема начинает ограничивать, как только в узле VGUARD создается тепловой потенциал.

Результаты измерений

Оценочная плата ADA4530-1R-EBZ-TIA.
Рисунок 4. Оценочная плата ADA4530-1R-EBZ-TIA.

Для сравнения характеристик простого диодного ограничителя со специальным диодом с малыми утечками и защищенного ограничителя с ЭСР-диодами была собрана схема 100-гигаомного трансимпедансного усилителя. Список всех использованных в ней компонентов можно найти в Таблице 1. Основой конструкции этих схем послужила модифицированная оценочная плата электрометрического усилителя (Рисунок 4). Важно отметить, что выход защитного буфера усилителя не должен использоваться для подключения охранных колец, поскольку его напряжение изменяется. Охранные кольца должны быть подключены к потенциалу сигнальной земли, взятому с неинвертирующего входа усилителя.

Таблица 1. Компоненты испытательной схемы
Компонент Изготовитель Обозначение
Электрометрический
усилитель
Analog Devices ADA4530-1ARMZ
Оценочная плата Analog Devices ADA4530-1R-EBZ-TIA
Резистор обратной
связи 100 ГОм
Ohmite RX-1M1009FE
Конденсатор обратной
связи 300 фФ
AVX UQCFVA0R3BAT2A500
Ограничительный диод Linear Integrated
Systems
PAD1
Выходной диод 1 Fairchild 1N4148
Выходной диод 2 Fairchild 1N5230

Работа схем была проверена путем пропускания через них испытательного тока от источника-измерителя электрометрического класса (Keithley 6430) и измерения выходного напряжения высокоточным цифровым мультиметром (Keysight 3458a). Испытания проводились при температуре 25 °C и напряжении питания ±5 В. Испытательный ток изменялся от 10 фА до 100 пА, а выходное напряжение изменялось от 1 мВ до 5 В (Рисунок 5). Линейность оценивалась путем построения графика разности между идеальным и фактическим выходным напряжением (Рисунок 6). Базовые характеристики определялись без ограничителя обратной связи (черные кривые). Без ограничения ошибка составляла менее 1 мВ до тех пор, пока размах выходного напряжения усилителя не достигал шин питания.

Передаточная характеристика трансимпедансного усилителя для исследуемых ограничителей.
Рисунок 5. Передаточная характеристика трансимпедансного
усилителя для исследуемых ограничителей.

Простая схема диодного ограничителя была реализована с использованием диода PAD1 с низкими утечками. Диод PAD1 является типичным выбором для такого рода приложений. При малых испытательных токах характеристики простого ограничителя (красные кривые) идентичны базовым характеристикам. Это означает, что сопротивление тока насыщения диода намного больше 100 ГОм (при 25 °C). Как и ожидалось, диапазон выходных напряжений довольно ограничен; погрешность выходного напряжения при испытательном токе 600 фА превышает 1 мВ. Такой уровень испытательного тока соответствует диапазону выходных напряжений 60 мВ.

Ошибки передаточной характеристики трансимпедансного усилителя для исследуемых ограничителей.
Рисунок 6. Ошибки передаточной характеристики трансимпедансного
усилителя для исследуемых ограничителей.

Ограничитель на диодах ЭСР-защиты (Рисунок 3) был протестирован с дешевым выходным диодом 1N4148 (D2). И снова характеристики этого ограничителя на защитных диодах (синие кривые) при низких испытательных токах соответствуют базовым характеристикам. Эти хорошие характеристики получены благодаря интегрированным в электрометрический усилитель диодам ЭСР-защиты с низкими токами утечки. 1N4148 просто обеспечивает путь тока обратной связи. Динамический диапазон также улучшился, и теперь для того, чтобы ошибка превысила 1 мВ, нужен испытательный ток 2.5 пА. Это соответствует диапазону выходных напряжений 250 мВ, что в четыре раза лучше, чем в предыдущем случае.

Гибкость этой схемы была продемонстрирована заменой выходного диода стабилитроном 1N5230. При низких испытательных токах эта схема работает идентично базовой схеме (зеленые кривые). Динамический диапазон схемы расширился по сравнению со стандартным диодом. Для того, чтобы  ошибка превысила 1 мВ, потребовался испытательный ток 10 пА. Это соответствует выходному диапазону 1 В. Схема начинает ограничивать при токах стабилитрона намного меньших тока 1 мА, необходимого для получения номинального пробивного напряжения 4.7 В. Для достижения наибольшего динамического диапазона и снижения температурной чувствительности желательно, чтобы стабилитрон работал при номинальном напряжении пробоя. Доступны более слаботочные стабилитроны, такие, например, как 1N4624. Рабочий ток также можно увеличить, добавив внешний резистор между VGUARD и сигнальной землей. Чтобы создать тепловой потенциал на диодах ЭСР-защиты для резистора 27 Ом потребуется ток стабилитрона 1 мА.

Подведем итог. Интерфейсы датчиков электрометрического класса часто требуют схем ограничения обратной связи. Этим схемам нужны специальные диоды, каждый из которых стоит несколько долларов. Но специальные диоды могут быть заменены внутренними диодами электростатической защиты электрометрического усилителя, имеющего выход защитного буфера, такого, например, как ADA4530-1. Такой подход позволяет создать высокоэффективный ограничитель, для которого требуется лишь один внешний компонент, стоящий копейки.

Материалы по теме

  1. Datasheet Analog Devices ADA4530-1
  2. Datasheet Central Semiconductor 1N4624
  3. Datasheet Vishay 1N5230
  4. Datasheet Linear Integrated Systems PAD1

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: Guarded Limiters Improve High Impedance Sensor Dynamic Range

JLCPCP: 2USD 2Layer 5PCBs, 5USD 4Layer 5PCBs

ADA4530-1 Купить ЦенаКупить ADA4530-1 на РадиоЛоцман.Цены — от 421 до 100 936
24 предложений от 12 поставщиков
SOIC8 Усилители операционные, дифференциальные, инструментальные
Зенер
Россия и страны ТС
ADA4530-1ARZ-R7
Analog Devices
от 421 ₽
AliExpress
Весь мир
Бесплатная доставка Новинка 5 шт./лот ADA4522-1ARZ ADA4530-1ARZ ADA4522-1 ADA4522 ADA4530 4522-1 4530-1SOP-8
953 ₽
Триом
Россия
ADA4530-1R-EBZ-BUF
Analog Devices
100 936 ₽
ДКО Электронщик
Россия
ADA4530-1ARZ
Analog Devices
по запросу
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя