ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ УСИЛИТЕЛИ: ОСОБЕННОСТИ И ПРИМЕНЕНИЕ

Губа А.А., инженер исследовательского центра “СЭЭиТ”, ДГТУ, Махачкала.

История появления электронных усилителей относится к началу ХХ века, когда Ли Форест создал первую в мире трехэлектродную электровакуумную лампу, способную усиливать электрические колебания. С тех пор минуло столетие, развивалась электроника, возникали новые области применения, но параллельно совершенствовалась и схемотехника усилительных устройств. Это привело к разработке специализированных усилителей, ориентированных на определенные классы задач. Так, потребность в высококачественных усилителях для аппаратуры телефонной связи способствовала созданию нового класса устройств, которые, наряду с усилением электрических колебаний, могли выполнять математические операции, такие как, сложение, усреднение, вычитание и др., за что и были названы операционными усилителями (ОУ).

Одной из областей применения ОУ является обработка дифференциальных (разностных) сигналов, используемая в измерительных приборах, медицинской и связной технике, в аудио- и видео — аппаратуре и т.д.. Первоначально, для этой цели применялись операционные усилители, включенные по схеме вычитания сигналов, но подобная схема обладала рядом недостатков, устранение которых потребовало дополнительных схемотехнических решений и привело к появлению инструментального усилителя на основе ОУ — устройства, предназначенного для усиления дифференциальных сигналов при воздействии высокоуровневых напряжений синфазных помех. Источниками таких синфазных помех могут служить различные внешние устройства и цепи, в том числе, бытовое и промышленное электрооборудование, высокочастотные генераторы, первичная сеть электропитания промышленной частоты и проч.. Особенность синфазных помех заключается в том, что они наводятся одновременно на оба входа дифференциальной схемы и на каждом из входов имеют одинаковую величину напряжения относительно общей шины.

Идеальный усилитель, выполняющий функцию вычитания, полностью устраняет влияние синфазной помехи, но реальный не обладает таким свойством. Для оценки способности схемы усиления противостоять воздействию синфазных напряжений применяется параметр, называемый коэффициентом ослабления синфазных сигналов КОСС (ССМR), который у идеального усилителя с функцией вычитания имеет бесконечно большую величину, а у реальных — конечное значение.

Для того, чтобы разобраться в характере воздействия синфазной помехи и способах её устранения, обратимся к известной схеме простейшего усилителя (рис. 1), выполняющего функцию вычитания. Схема может быть применена, к примеру, и в цифровом термометре, где необходимо усилить сигнал с термодатчика, включенного по мостовой схеме, и для микрофонных предусилителей, используемых в бытовой и профессиональной аудиоаппаратуре и т.п. Принцип работы такого усилителя основан на усилении разностного сигнала от источников с напряжениями Ua и Ub и ослаблении напряжения синфазной помехи Uсинф., наводимой на линию связи. На входах А и В схемы присутствуют, соответственно, напряжения Ua + Uсинф и Ub + Uсинф. Выходное напряжение пропорционально разности потенциалов в точках А и В, т.е. Uвых = K*(Ub – Ua), где К– дифференциальный коэффициент усиления, равный отношению сопротивлений резисторов R2/R1 схемы, в случае, если R2/R1=R2´/R1´[1]. Этот усилитель обладает бесконечно большой величиной коэффициента ослабления синфазных сигналов, поэтому на выходе операционного усилителя отсутствует напряжение Uсинф.

Рис. 1

На практике, неравенство величин сопротивлений резисторов R1 и R1’, а также R2 и R2’, и различия в параметрах идеальных и реальных ОУ влияют на величину КОСС схемы, что приводит к существенному снижению этого важного показателя. Например, для данной схемы, обладающей чувствительностью к идентичности номиналов резисторов, при единичном коэффициенте усиления (величины сопротивлений всех резисторов одинаковы), отклонение номинала любого из резисторов на 0,1% от выбранного значения может снизить значение КОСС до 66 db [1].

Таким образом, предъявляемые высокие требования к точности и повторяемости характеристик используемой элементной базы приводят к удорожанию изделия за счет необходимости в подстройке номиналов элементов в процессе производства, а иногда, и при эксплуатации. Усилители, выполненные в интегральном исполнении, где точность величин сопротивлений резисторов обеспечивается лазерной подстройкой при изготовлении, являются более предпочтительными по сравнению со своими аналогами на дискретных элементах.

Примером является усилитель AD629 [2,3] компании Analog Devices Inс, который преимущественно используется совместно с низкоомными источниками сигналов и отличается способностью сохранять основные параметры при величине входного синфазного напряжения до ±270В и напряжении питания ±15В. Этот усилитель обладает величиной коэффициента ослабления синфазных сигналов КОСС = 86 дб на частоте 500 Гц. Другими представителями усилителей с функцией вычитания, предназначенными для работы с относительно низкоомными источниками сигналов являются AMP03, SSM2141, SSM2143 [3].

Недостатком усилителя на основе схемы вычитания напряжений (рис. 1) является относительно малое входное сопротивление, в основном определяемое величинами сопротивлений используемых резисторов. Подключение высокоомных источников напряжения приведет к потерям его мощности ввиду шунтирования сигнала. Входное сопротивление усилителя можно повысить за счет увеличения сопротивлений резисторов, но это будет способствовать увеличению уровня шумов из-за возрастания теплового шума и ограничению полосы пропускания [4]. К тому же, схема может иметь несбалансированные входные импедансы, т.к. импеданс по входу A определяется величиной сопротивления резистора R1, а на входе B – суммой R1´ + R2´ (рис. 1), что также снижает величину КОСС.

Это ограничивает возможные области применения, однако, подобные устройства используются в аппаратуре связи и видеообработки, а также, для нормирования сигналов с низкоомных источников, величина синфазных напряжений которых намного превышает напряжение питания усилителя. (Некоторые источники генерируют наряду с дифференциальными и синфазные напряжения, которые, как и в случае с синфазными помехами, наводимыми на линию связи, необходимо устранять. Примером может служить схема измерения тока высоковольтного источника питания [2]).

Схема с двумя операционными усилителями (рис. 2) является дальнейшим развитием устройства, реализующего функцию вычитания входных напряжений. За свое преимущественное применение в области измерительной техники, такой усилитель называют инструментальным (в переводе с англ., “instrumentation amplifier” означает “измерительный усилитель”).

Рис. 2

Его характерной особенностью является высокий входной импеданс, обеспечиваемый неинвертирующей схемой включения двух ОУ (входной импеданс операционного усилителя можно повысить, включив его по неинвертирующей схеме, причем, чем меньше коэффициент усиления – тем выше его входное сопротивление, достигающее максимального значения у повторителя напряжения, т.е. при K=1). Это свойство позволяет работать с источниками, обладающими высоким выходным импедансом, т.к. снижается влияние эффекта шунтирования источника сигнала сопротивлением входного каскада.

Сигналы на выходе усилителей, выполненных по разным схемам включения, приведены на рис. 3а и рис. 3б. В первом случае (рис. 3а) используется ОУ, включенный по схеме вычитания, а во втором (рис. 3б), инструментальный усилитель AD627 выполненный на двух операционных усилителях. Усилитель AD627 обеспечивает величину КОСС порядка 85 дб на частоте 60 Гц при коэффициенте усиления, равном 5 [3]. Он работает в широком диапазоне питающих напряжений (от 2,2 В до ±18 В), имеет высокий входной импеданс и отличается сверхнизким током потребления – 85 мкА, что важно при работе с автономными источниками питания.

Рис 3 (а,б)

Значение коэффициента ослабления синфазных сигналов инструментального усилителя на двух ОУ обычно резко уменьшается с увеличением частоты входного сигнала. Это обусловлено различными путями распространения сигнала к инвертирующему и неинвертирующему входам операционного усилителя DA2, приводящим к дополнительному фазовому сдвигу [2]. Указанный недостаток устранен в схеме инструментального усилителя с тремя ОУ (рис. 4).

Рис. 4

Усилитель содержит два каскада – входной на DA1, DA2 и выходной на DA3, который реализует функцию вычитания. В результате такого решения обеспечивается повышение коэффициента ослабления синфазных сигналов и входного сопротивления при меньшей зависимости КОСС от частоты. Подобная схема в интегральном исполнении, как правило, предусматривает два отдельных вывода для подключения резистора Rg, величина сопротивления которого и определяет коэффициент усиления [2].

На рис. 5 приведена зависимость величины КОСС(CMRR) от частоты для AD8221 [3]. Усилитель выполнен на трех ОУ и отличается высоким значением КОСС в достаточно широком диапазоне частот. Из характеристики видно, что значение КОСС при K=100 постоянно в диапазоне частот от 0 до 100 Гц и составляет 140 дб,  затем постепенно снижается, тем не менее, находясь выше порога в 100 дб вплоть до частоты 20 кГц.

Рис. 5

С увеличением усиления, возрастает и величина КОСС так как при этом не происходит усиления синфазного сигнала, который приложен к неинвертирующим входам усилителей DA1 и DA2 и не создает падения напряжения на резисторе Rg (рис. 4).

Помимо AD8221, можно выделить ряд интегральных усилителей, содержащих три ОУ – AD620, AD621, AD623, AD8225 [3] и обладающих высокими качественными показателями.

Примером практической реализации может служить вариант включения инструментального усилителя для нормирования сигналов с мостовой схемы (рис. 6).

Рис. 6

Измерительный мост питается от источника с напряжением Uм. Напряжение Uвых на выходе инструментального усилителя определяется из соотношения [1]:

,

где Ku – коэффициент усиления инструментального усилителя, задаваемый резистором Rg;

ΔR –отклонение от своего номинального значения величины сопротивления датчика при внешнем воздействии.

Возможно использование как однополярного, так и двухполярного источника питания. При применении однополярного источника, необходимо подсоединить вывод –Vs к общей шине (-Vs=0). В качестве инструментального усилителя выбран AD623 [3], однако можно использовать и многие другие, выполненные по топологии с тремя ОУ с учетом их технических характеристик (диапазон входных и выходных напряжений, допустимые значения коэффициента усиления и питающего напряжения и др.).

Схема обладает высоким значением КОСС, работоспособна в широком диапазоне сопротивлений резисторов R за счет высокого входного импеданса, что позволяет её применять при разработке устройств измерения температуры, давления и многих других, которые допускают мостовое включение датчиков.

Использование инструментальных усилителей способствует повышению технико-экономических показателей проектируемых устройств. Но применение инструментальных усилителей не может гарантировать высокого качества конечного изделия, которое зависит и от соблюдения основных правил, принятых при компоновке и трассировке печатных плат, реализации экранировки и заземления, а также, фильтрации помех с источников питания и на входах устройства.

Значительный вклад в общую ошибку измерений вносят высокочастотные помехи на входах инструментального усилителя, действующие в диапазоне частот, превышающем верхнюю границу полосы пропускания [5]. Инструментальные усилители характерны тем, что величина их КОСС резко уменьшается за пределами полосы пропускания. Это способствует попаданию во внутренние цепи помех радиочастотных диапазонов и их выпрямлению на внутрисхемных нелинейных элементах, приводящему к дрейфу выходного напряжения. Подобный дрейф представляет собой напряжение помехи, действующее в диапазоне частот полезного сигнала, что затрудняет его устранение.

Снизить влияние высокочастотных помех можно путем введения в схему двух фильтров (рис. 7). Первый — (R1-C1, R2-C2) предназначен для ослабления высокочастотных синфазных сигналов. Его эффективная работа обеспечивается в случае, если R1=R2 и C1=C2. Величина отклонения емкостей конденсаторов C1 и С2 от номинального значения не должна превышать ±5%, а сопротивлений резисторов R1 и R2 — ±1% [2].

Рис. 7

Второй фильтр (R1-C3-R2) предназначен для ослабления дифференциального напряжения, возникшего из синфазного в результате возможного рассогласования элементов R1-R2 и C1-C2. Для этого, емкость конденсатора C3 должна значительно превышать величины емкостей конденсаторов C1 и C2.

 

Литература.

  1. Walt Jung. Op Amp Applications. Analog Devices Inc. USA, 2002, ISBN 0-916550-26-5.
  2. Charles Kitchin, Lew Counts. A Designer’s Guide to Instrumentation Amplifiers (2nd Edition). Analog Devices Inc, 2004.
  3. AD629, AMP03, SSM2141, SSM2143, AD627, AD8221, AD620, AD621, AD623, AD8225: Техническая документация. Информация с сайта www.analog.com.
  4. А. Дж. Пейтон, В. Волш. Аналоговая электроника на операционных усилителях – М.:БИНОМ, 1994, ISBN 5-7503-0013-7.
  5. Charles Kitchin, Lew Counts, and Moshe Gerstenhaber. Reducing RFI Rectification Errors in In-Amp Circuits. Application Note, AN-671 Rev. 0, 2003. Analog Devices Inc, analog.com.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *