Инструментальный усилитель, работающий от одного источника питания, позволяет вам компенсировать напряжение смещения системы подачей положительного корректирующего напряжения на вход VREF.
Многие интегральные инструментальные усилители имеют архитектуру обеспечивающую компенсацию смещения. Опорное напряжение вывода, VREF, добавляется в фазе к выходному напряжению для получения единичного коэффициента. В результате, вы можете скомпенсировать напряжение смещения выхода подав на вход VREF корректирующее напряжение равное по амплитуде но противоположное по фазе с напряжением смещения.
Если инструментальный усилитель работает от двуполярного источника питания, вы легко можете обеспечить подачу и положительного и отрицательного корректирующего напряжения. В то же время, некоторые инструментальные усилители работают от однополярного питания – например в приложениях с питанием от батарей – и используются для усиления сигналов, от источников напряжения или датчиков, имеющих положительное напряжение смещения.
Датчики, например такие как
AD590компании Analog Devices, вырабатывают выходной ток пропорциональный абсолютной температуре, и вам необходимо калибровать его при нижней опорной температуре. В этом случае, размах выходного сигнала инструментального усилителя уменьшается, особенно при большом коэффициенте усиления. Для предотвращения этого эффекта, вы должны подать отрицательное напряжение коррекции, которое должны получить от положительного источника питания. В прецизионных приложениях, использование такого напряжения может вызвать затруднения.
Эта дизайн-идея показывает, как сделать инструментальный усилитель, работающий от одного источника питания, который позволит вам компенсировать напряжение смещения системы подачей положительного корректирующего напряжения на вход VREF. В схеме приведенной на рис.1 используется сдвоенный прецизионный операционный усилитель OPA2333 компании Texas Instruments. Этот операционный усилитель может работать с напряжением питания от 1.8 до 5.5 В и использует собственную технологию автокалибровки, для одновременного получения величины максимального напряжения смещения 10 мкВ и близкого к нулевому температурного и временного дрейфа.
Усилитель имеет высокоомные входы, которые выдерживают напряжение синфазного сигнала на 100 мВ превосходящее уровни питания микросхемы и обеспечивает размах выходного напряжения всего на 50 мВ меньший уровней питания. Использование данных свойств на схеме приведенной на рис.1, приводит к следующему выражению:
Для обеспечения равного усиления для обоих входов VB и VA , резисторы R2, R3, R4, и R5 должны иметь одинаковый номинал в два раза больший номинала резистора R1. При использовании резисторов с номиналами приведенными на рис.1, вы получаете следующее упрощенное выражение:
Коэффициент дифференциального усиления схемы составляет 3+(92.8 кОм/RG), и добавляемое опорное напряжение инвертируется совместно с выходным сигналом. Резистор RG определяет величину усиления, если вы его не подключите, схема будет иметь минимальную величину усиления равную трем: уменьшение номинала резистора RG до 93 Ом увеличивает коэффициент усиления до 1000.
Для сохранения хорошего значения CMRR (коэффициент ослабления синфазного сигнала) цепь подключенная ко входу VREF должна иметь низкий импеданс; в противном случае, вы должны использовать буфер на операционном усилителе для увеличения параметра CMRR, который в основном зависит от точности подгонки резисторов. В данной схеме, для сохранения приемлемого уровня CMRR, вы должны использовать прецизионные пленочные резисторы.
Анализируя схему, вы можете вычислить худший случай параметра CMRR на низкой частоте. При R2, R3, R4, и R5 имеющих одинаковые номиналы равные удвоенному номиналу R1 и всех остальных резисторах имеющих одинаковый допуск вы получите:
где
- это допуск резисторов. При использовании резисторов с допуском 0.1% и минимальном дифференциальном усилении, равном трем, вы получите величину CMRR как минимум 54 дБ. При дифференциальном усилении равном 100, вы получаете величину параметра как минимум 84 дБ. Вход VREF уменьшает смещение системы для понижения нижнего порога размаха выходного напряжения, но не исключает его полностью, так как в этом случае, выходное напряжение должно иметь возможность достигать величины земляного потенциала источника питания. Если же вам, тем не менее, необходимо убрать смещение выхода полностью, вы должны вычесть эту величину с помощью АЦП с дифференциальными входами.
