Маломощный измерительный усилитель с дифференциальным входом и выходом

Журнал РАДИОЛОЦМАН, февраль 2014

В настоящее время все коммерчески доступные измерительные усилители, состоящие из трех операционных усилителей (ОУ), имеют несимметричный выход, в то время как для многих приложений требуются измерительные усилители с дифференциальным выходом. Полностью дифференциальные измерительные усилители имеют множество преимуществ перед своими несимметричными аналогами, основными из которых являются:

• более высокая устойчивость к синфазным шумам;
• меньший уровень искажений по второй гармонике;
• лучшее отношение сигнал/шум;
• простота подключения к современным АЦП с дифференциальными входами.

На Рисунке 1 показана схема маломощного полностью дифференциального измерительного усилителя, образованного каскадами прецизионного маломощного сдвоенного ОУ OP2177 (IC₁) и полностью дифференциального усилителя/драйвера АЦП AD8476 (IC₂). При токе потребления менее 1.2 мА усилитель имеет коэффициент шума на входе 11 нВ/√Гц, максимальный ток смещения 2 нА, максимальное приведенное ко входу напряжение смещения нуля 75 мкВ и максимальный температурный дрейф напряжения смещения 0.9 мкВ/K.

Рисунок 1.	Маломощный, полностью дифференциальный измерительный усилитель.

Микросхема OP2177 и резисторы R_F1, R_F2 и R_G образуют предварительный усилитель с коэффициентом передачи напряжения

 

 Если RF1 = RF2 = RF, то

 

AD8476 выполняет функцию вычитающего устройства измерительного усилителя, которое принимает усиленный сигнал с выхода предусилителя, обрезает его синфазную составляющую и пропускает дифференциальную. Коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR) микросхемы AD8476 равен 90 дБ, соответственно, такой же уровень имеет CMRR измерительного усилителя при единичном усилении. При более высоких коэффициентах усиления приведенные к входу синфазные помехи во входном сигнале подавляются еще больше за счет усиления первого каскада.

Образованная тремя ОУ схема измерительного усилителя требует хорошего согласования сопротивлений резисторов R_F1, R_F2 и R_G, от которых зависит точность установки коэффициента усиления. AD8476 также содержит выходной дифференциальный драйвер, позволяющий напрямую подключать его к симметричным входам АЦП с быстродействием до 500 Квыб/с. Необязательная цепь R_Z, C_Z образует однополюсный фильтр нижних частот, который может использоваться в качестве антиалиазингового фильтра.

Выходное синфазное напряжение измерительного усилителя задается выводом V_OCM. Если этот вход оставить неподключенным, синфазное напряжение установится посередине напряжения питания. При использовании AD8476 в качестве драйвера АЦП точка подключения V_OCM должна соответствовать диапазону входных напряжений преобразователя.