Измервателни усилватели

ЕлектроникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 7, 2006

 

Интегрални схеми, параметри, приложения

Наименованието на измервателните усилватели (Instrumentation Amplifier) ИУ изяснява достатъчно добре за техните качества - параметрите им са много стабилни и така подбрани, че да свеждат до минимум нежеланите промени в усилвания сигнал, дължащи на външни фактори. Едно от задължителните им качества е наличието на диференциален вход. При ползването на каталози трябва да се внимава със съдържанието на раздела Instrumentation Amplifier, тъй като твърде често в него има и други усилватели с много стабилни параметри, но с несиметричен вход. Съществуват три разновидности на ИУ - под формата на измервателни уреди, реализирани с операционни усилватели (ОУ) и дискретни пасивни елементи и реализирани като интегрални схеми (ИС). Последните са главно монолитни, но има и малко хибридни ИС. В статията се разглеждат принципите на действие на последните две групи. Изяснени са основните им параметри, отразено е съвременното състояние с много таблични данни и са дадени характерни приложения.

Основни параметри

Коефициентът на усилване (Gain) G по принцип може да е в границите от 1 до 10 000, като максималната му стойност зависи от схемата, чрез която е реализиран ИУ и използваните в нея ОУ. При ИУ с фиксирано усилване (Fixed Gain Instrumentation Amplifier) стойността на G е фабрично определена, докато при програмируемите с резистор ИУ (Resistor Programmable Instrumentation Amplifier) тя се задава чрез външен резистор RG, свързван към специални изводи на ИС. В ИУ с цифрово управление (Digitally Controlled Instrumentation Amplifier) стойността на G има няколко фиксирани стойности, всяка от които се избира чрез двоично число. Това се постига като числото управлява аналогови ключове, а те превключват резистори. В не малко каталози G е със странното измерение V/V.

Друг параметър е относителната грешка в коефициента на усилване (Gain Error) GE, обикновено изразявана в проценти. Тя зависи основно от толерансите на резисторите и за постигане на малки нейни стойности част от тях се настройват с лазер в процеса на производство. Реално GE е до 0,5%. В зависимост от нейната стойност има три класа ИУ - A са с грешка 0,025%, B - с 0,09% и С имат грешка 0,5%. По принцип тези стойности се гарантират в целия работен температурен обхват на ИУ.

В някои каталози се дава температурният коефициент на G (Gain Drift, Gain TC) GTC като относителната промяна DG/G, предизвикана от изменение на температурата с 1°С. Измерението е ppm/°С с типични стойности няколко ppm/°С.

Стойността на G зависи, макар и слабо, от големината на входното напрежение. При обикновените усилватели това е без значение, но не може да се пренебрегва в някои приложения на ИУ. Тази зависимост се оценява чрез параметъра нелинейност на коефициента на усилване (Gain Nonlinearity), представляващ относителното изменение на G при промяна на входното напрежение в целия допустим обхват. Типичните стойности са няколко хилядни от %.

Горната гранична честота винаги се отбелязва като честотна лента Bandwidth) BW, тъй като по принцип ИУ са постояннотокови. Стойността й е обратно пропорционална на G и затова в каталозите се дава при няколко негови стойности. Като допълнение на BW понякога се използва и времето на установяване (Settling Time) ts, което е изяснено на фиг. 1. Вместо DUo практически се използва величината 100DUo/Uo. Типичните стойности на ts са от няколко десетки до стотина ms. Понякога се дава и скоростта на изменение на изходното напрежение (Slew Rate) SR, определяна по същия начин, както при ОУ. Типичните й стойности са между няколко десети и няколко V/ms.

Коефициентът на потискане на синфазни сигнали (Common Mode Rejection Ratio) CMRR се изразява винаги в децибели в съответствие с

(1) CMRR = 20lg(G/Gc) = 20lgG - 20lgGc,

където Gc = Uoc/Uic е коефициентът на предаване на синфазните сигнали (Uic е входното синфазно напрежение, а Uoc - съответстващото му изходно напрежение). Не трябва да се забравя, че всички попаднали във входа смущения предизвикват синфазен сигнал, т.е. CMRR е мярка за потискането на смущенията. Колкото CMRR е по-голям, толкова по-малък полезен сигнал (подаден като напрежение Ui между двата входа на ИУ) може да бъде усилен при наличие на определени смущения. Това се вижда от израза (1), който показва, че полезният сигнал се усилва CMRR децибела повече от синфазния. Например ИУ за снемане на електрокардиограма има входно напрежение 1 mV, съпътствано от смущения с Uic = 5 V. Усилвателят е с G = 1000 и CMRR = 120 dB, поради което изходното напрежение на полезния сигнал е Uo = 1 V. Коефициентът на усилване е G = 60 dB, което според (1) означава Gc = -60 dB или 0,001. Така изходното напрежение поради смущенията е Uoc = 5 mV - пренебрежимо малко спрямо полезния сигнал и следователно ИУ реално е отстранил смущенията. Тъй като Gc на даден ИУ практически не зависи от G, стойността на CMRR нараства с увеличаване на G. Затова при сравняване на различни ИУ по този параметър винаги трябва да се взима предвид при какво G е стойността му.

Например ИУ с CMRR = 93 dB при G = 1 вероятно потиска по-добре синфазните сигнали от ИУ с CMRR = 100 dB при G = 100. В допълнение на това трябва да се има предвид, че CMRR намалява с увеличаване на честотата на синфазния сигнал. В каталозите стойността на CMRR обикновено се задава за постоянно напрежение или при мрежовата честота. Колкото до по-висока честота се запазват големите стойности на CMRR, толкова по-високочестотни смущения и висши хармоници на мрежовата честота ще бъдат добре потискани. Нерядко именно чрез голям CMRR може да се намалят изискванията към скъпоструващи филтри.

При работа на ИУ в среда на големи смущения, например в индустриални предприятия и при свързване към дълги линии, от значение е максимално допустимото синфазно входно напрежение (Input Common Mode Voltage) CMV. При използването му да се внимава, тъй като много ИУ, захранвани с едно положително напрежение, допускат само няколко V отрицателни синфазни напрежения. Напоследък в някои каталози се дават два обхвата на СМV - работен (Operating Range), при синфазни напрежения в който ИУ работи нормално и допустим (Survival Range), чиито напрежения не повреждат ИУ, но той не работи в съответствие с параметрите си.

За усилване на малки напрежения, например от много видове сензори, е важно да знае и големината на неизбежно създавания в ИУ шум, оценяван чрез два параметъра. Първият е входното шумово напрежение (Input Voltage Noise, Refered to Input Noise, RTI Noise) VN, определяно в честотна лента 1 Hz и имащо измерение mV/ЦHz. Реално то представлява изходното шумово напрежение, разделено с G. Създаването на нискочестотен шум (“розов” шум, 1/f-шум) се оценява чрез друг параметър, наричан просто шум (Noise, Vnoise), измерван като напрежение от връх до връх в честотна лента обикновено от 0,1 до 10 Hz.

Някои от известните от ОУ параметри се използват и в ИУ. Промяната на захранващото напрежение (или едновременно на напреженията при двойно захранване) с DUCC води до изменение на постоянното изходно напрежение с DUo. Величината PSRR = 20lg(GDUCC/DUo) представлява коефициентът на потискане на захранващото напрежение (Power Supply Rejection Ratio), отбелязван и като PSR. Типичните му стойности са между 70 и 100 dB. Входното напрежение на несиметрия (Input Offset Voltage) UIO или Vos обикновено е не повече от няколко стотици mV. Влиянието на температурата върху него се отразява чрез дрейфа на входното напрежение (Input Offset Drift), представляващ неговият температурен коефициент TCVOS със стойности около 1 mV/°C. По принцип ИУ с входни стъпала, реализирани с биполярни транзистори имат по-малко UIO от тези с полеви транзистори. Входният поляризиращ ток (Input Bias Current) рядко надхвърля 1 nA, а минималните постигнати стойности вече достигат няколко fA.

Захранващото напрежение може да е единично (Single Supply) или двойно (Dual Supply), като границите му са твърде широки, например при единично захранване долната е между 2,3 и 5 V, а горната - от 5,5 до 36 V. Немалка част от ИУ могат да работят както с единично, така и с двойно захранване. Големината на консумирания от захранването ток (Supply Current) е между няколко десетки mA и малко над 10 mA. Тя често се използва за характеризиране на ИУ като маломощни (Low Power) и микромощни (Micropower), но няма точни стойности за определяне на границите между тях.

Принцип на действие

Многобройните и твърде разнообразни приложения на ИУ определиха появата през последните няколко десетилетия на множество схеми за реализацията им, всяка със своите предимства и недостатъци. От тях се наложиха три конфигурации, като с най-голямо приложение е схемата с три ОУ. Нейният основен вариант е даден на фиг. 2. При пренебрегване на нищожното напрежение между двата входа на ОУ1 и ОУ2 се оказва, че напрежението U23 между точки 2 и 3 е равно на входното напрежение Ui. Входният ток на двата ОУ също може да се пренебрегне, при което токът I = Ui/RG през RG протича и през резисторите R. Резултатът е напрежение U14 = (2R + RG)I между точки 1 и 4, откъдето следва, че коефициентът на усилване на първото стъпало G1 = U14/Ui е

(2) G1 = 1 + 2R/RG.

Той може да бъде задаван, а с него и G на цялата схема, чрез резистора RG без влияние върху останалите параметри. Това е първото предимство на схемата. Второто е много голямото входно съпротивление със стойности не по-малки от няколко стотици MW и достигащо десетки GW при ОУ с полеви транзистори на входа. Коефициентът на потискане на синфазни сигнали на първото стъпало CMRR1 практически е с 3 dB по-малък от този на ОУ1 и ОУ2 (двата ОУ винаги се избират с еднакви параметри) и не зависи от производствените толеранси на резисторите, което е третото голямо предимство.

Второто стъпало на фиг. 2 е класическа схема на диференциален усилвател с един ОУ, което има коефициент на усилване

(3) G2 = R2/R1.

Твърде често той е равен на 1, като при R2=R1= R всички резистори на ИУ без RG са с еднакви съпротивления. Коефициентът на потискане на синфазни сигнали е

(4) CMRR2 = 20lg((G2+1)/d) – 28, dB,

където d е производственият толеранс на резисторите R1 и R2 в %. Чрез лазерна настройка той сравнително евтино може да бъде направен около 0,1%, което определя типични стойности на CMRR2 40-60 dB.

Общият коефициент на усилване на схемата е G = G1G2, а неговият CMRR в dB е сумата на CMRR1 и CMRR2. По постоянен ток CMRR достига 140 dB, а при мрежова честота – до около 120 dB.

За реализация на програмируеми с резистор ИУ точки 2 и 3 на фиг. 2 се правят изводи на ИС и между тях външно се свързва RG. Съществуват ИУ с вграден резистор RG и изводи за успоредно свързване към него на външни резистори. Възможно е RG да е набор от превключваеми резистори за получаване на различни G. Например на негово място може да се използва ИС МАХ5426 на фирмата МАХIМ, която позволява получаването на G = 1, 2, 4 и 8 чрез двупроводен интерфейс с CMOS/TTL логически нива.

Известните от повече от 20 години ОУ с нулев дрейф (Zero-Drift OA) вече имат достатъчно добри параметри, за да бъдат използвани в ИУ. Принципът на реализация на тази категория ИУ се изяснява чрез схемата на фиг. 3. Аналоговите диференциални ключове S1 и S2 се управляват от схемата СС, като във всеки момент от времето е отворен единият от тях, а другият е затворен. Честотата на превключването им fc обикновено е няколко kHz. При затворен S1 входното напрежение Ui зарежда С1, след което се затваря S2 и зарядът, т.е. Ui, се прехвърля в С2. Смисълът от това е “преобразуване” на диференциалния вход на ИУ в несиметричен на ОУ. Извод REF обикновено е маса, т.е. останалата част от схемата е неинвертиращ усилвател с коефициент на усилване

(5а) G = 1 + R2/R1,

задаван чрез два резистора. На фиг. 3 те са показани като външни за ИС, което е случаят на програмируеми с резистор ИУ. За плавно регулиране или настройка на G между R1 и R2 може да се свърже потенциометър, чийто плъзгач се съединява към извод RG. При ИУ с цифрово управление R1 и R2 са набор от резистори в самата ИС, превключвани от аналогови ключове. Кондензаторът CF не позволява усилване на променливи напрежения с честота fc и нейните хармоници.

С прекъсната линия на фиг. 3 е дадено възможното свързване на извод REF към опорно напрежение UREF. То се прибавя като постоянна съставка към изходното напрежение, което в случая е

(5б) Uo = GUi + UREF.

Характерна особеност и в някои случаи недостатък на този тип ИУ е малката им BW, не надхвърляща 0,5fc.

Класическата схема на диференциален усилвател с един ОУ (второто стъпало на фиг. 2) вече се използва самостоятелно като ИУ благодарение на технологичните възможности за много прецизна настройка на резисторите, чрез която се получават задоволителни за ИУ стойности на CMRR. Това позволява да се използват предимствата на схемата спрямо останалите - по-широка BW, запазване на добри стойности на CMRR до сравнително високи честоти (няколко kHz) и работа с големи синфазни напрежения. Последното се дължи на факта, че те постъпват на входа на ОУ през делители на напрежения.

И накрая схемата на ИУ с два ОУ. Практически тя не се произвежда като ИС, но наличието на много, евтини и висококачествени двойни ОУ я прави привлекателна за реализация с дискретни резистори. Основната схема е дадена на фиг. 4, като резисторите трябва да са с колкото е възможно по-малки толеранси. Тя има коефициент на усилване

(6) G = 1 + R2/R1 + 2R2/RG

с минимална стойност 1 +R2/R1 при липса на RG. Към изходното напрежение Uo = GUi може да се прибави постоянна съставка UREF като точка “а” вместо да бъде замасена се свърже към напрежение UREF. Резисторите с прекъсната линия в двата входа със съпротивления до няколко kW са предпазни. За подобряване на CMRR за променливи напрежения трябва между инвертиращия вход на ОУ1 и маса да се свърже малък донастройващ кондензатор.

ИУ с фиксиран коефициент на усилване

На редове 2-5 в табл. 1 са дадени основните параметри на ИУ, реализирани по схемата на фиг. 2 или нейни разновидности. На ред 2 са параметрите на LM363, чийто 3 стойности на коефициента на усилване се осигуряват чрез подходящо свързване на три определени извода. Сравнително рядко използваната, но полезна възможност е изключване на ИУ чрез логическо ниво на специален извод. Тя е вградена в МАХ4197 с параметри на ред 3, като в изключено състояние консумацията е 8 mA. Подобни са МАХ4195 с G=1 и МАХ4196 с G=10. В ред 4 са параметрите на МАХ4461, чиито три разновидности се различават само по стойността на G и всяка се маркира чрез специална буква към означението (например MAX4461U има G=1.

Сравнително рядко има ИУ с диференциален изход. Такъв е MN2311 с параметри в ред 5, но той може да работи и с несиметричен изход при 2 пъти по-малък G. Подобни са MN2310 и MN2312, но те са с G съответно 63 и 630.

В последния ред на табл. 1 е ИУ LTC1100, реализиран по схемата на фиг. 3. Характерен за него е сравнително малкият входен поляризиращ ток (не повече от 65 рА), позволяващ свързването към входа на високоомни сензори и други източници на сигнал. Освен това вариантът му с корпус с 16 извода дава възможност чрез подходящо свързване на един от изводите да реализира G=10 и G=100.

ИУ с променлив коефициент на усилване

Параметрите на ИС от този тип са дадени в табл. 2. Значително по-големият им брой в сравнение с табл. 1 отразява по-голямото разнообразие на такива ИУ, предлагани на пазара. На редове 2-11 са дадени параметрите на ИУ, програмирани с един резистор и реализирани по схемата на фиг. 2 или нейни разновидности. Характерно за AD620 (ред 2) са широките граници на захранващото напрежение и работният температурен обхват от -55 до +125°С. На ред 3 са параметрите на AD624, който освен малкия шум има още една характерна особеност – вградените 4 резистора за използване като RG. Чрез подходящото им свързване се реализират стойности на G , равни на 1, 10, 100, 200, 500 и 1000. Освен това е възможно и външно свързване на резистор към друг извод за получаване на произволен G. Микромощният ИУ AD627 съдържа в схемата си резистор RG, който определя минимален G, равен на 5. Успоредно на него се свързва външен резистор за увеличаване на G до 1000. В ИУ MN2200 (ред 5) също са вградени резистори за RG, които чрез подходящо свързване на изводи се установяват стойности на G, равни на 1, 10, 100 и 1000. Когато изводите са свободни, чрез външен резистор може да се задава G между 1 и 1000. Представител на ИУ с общо предназначение е INA114 (ред 6), който може да работи с единично или двойно захранване в широки граници. С много малък шум и широка честотна лента се характеризира INA103 (ред 7), което за сметка на повишената постояннотокова консумация. Най-малкият засега входен поляризиращ ток (3 fA при +25°С и 25 fA при +85°С) е постигнат в ИУ INA116 (ред 8), чието входно стъпало е с полеви транзистори. Сравнително малко са ИУ с входно стъпало с CMOS транзистори. Пример е INA332 с параметри в ред 9, чийто входен ток не надхвърля 10 pA. Използването на такива транзистори е за сметка на намаляване на CMRR и повишаване на U. Със същите параметри е двойният ИУ INA2332. Един от малкото хибридни ИУ е 52301 (ред 10), който работи до температури 180°С, като производителят може да доставя по заявка и разновидност до 200°С.

Предимството на двойните ИУ не е само в спестяване на място върху платката, но и възможността да бъдат използвани като ИУ с диференциален изход. Последно увеличава стойността на CMRR. В ред 11 са дадени параметрите на AD8222, който е в квадратен корпус с 16 извода.

По видоизменена схема на фиг. 2 (с пет ОУ) е реализиран AD625 с параметри в ред 12. Резултатът е подобряване на параметрите, например нелинейността на G е до 0,001%. Особеност е задаването на G чрез три външни резистора съответстващи на R и RG на фиг. 2.

Коефициентът на усилване на ИУ с параметри в редове 13-15 на табл. 2 се задава с два външни резистора, тъй като реализацията им е по схемата на фиг. 3 или нейни разновидности. Характерно за LTC2053 (ред 13) е работата му с единично и двойно захранване, а схемата за управление в неговата разновидност LTC2053-SYNC може да се синхронизира с външен генератор. Подобен на него е LTC6800 (ред 14), който работи в по-малки граници на захранващото напрежение, но има широк температурен обхват (от -40 до +125°С). Пример за микромощен ИУ от тази група е EL8170 с параметри в ред 15. Характерна за него и за други микромощни ИУ е фиксираната минимална стойност на G - при реализация на по-малко усилване има опасност от самовъзбуждане. Подобни на него са EL8171, EL8172 и EL8173, както и двойният ИУ ISL28270.

С 4 стойности на G (1, 2, 5 и 10) е ИУ с цифрово управление PGA207, използващо CMOS/TTL логически нива. Неговите параметри са в предпоследния ред на табл. 2. Със същите параметри е PGA206, но той е със стойности 1, 2, 4 и 8 на G. Сред най-новите ИУ с цифрово управление е LTC6915 (последен ред на табл. 2). Той има 13 стойности на G, равни на целите степени на 2 между 0 и 13, т.е. от 1 до 4096. Те се установяват чрез 4-разредно двоично число, подавано в паралелен или последователен код. Числото може да бъде осигурявано от цифрови схеми със захранващо напрежение дори +2,5 V.

Прецизни диференциални усилватели

В табл.3 са дадени параметрите на няколко ИУ от този тип. АМР03 в действителност е повторител на напрежение и позволява преобразуване на напрежението от незамасен източник в същото напрежение спрямо маса. Сред най-съществените особености на AD8205 е нормалната работа със синфазни напрежения в границите от -2 до +65 V и запазването на стойността на CMRR до 20 kHz. Последното позволява използване на ИУ и при наличие на високочестотни смущения. С много малка консумация и възможност за изключване (при което се консумира ток 6,5mA) е МАХ4199. Подобен на него е МАХ4198, но той е с G = 1 и BW = 175 kHz. Специфичен тип е AD8202. Освен диференциален усилвател той съдържа и самостоятелен втори усилвател с G = 2, като каскадното им съединяване дава стойността на G в табл. 3. Обхватът на синфазните напрежения е между -8 и +28 V при захранващо напрежение +5 V.

Характерни приложения

Сред основните приложения на ИУ е свързването на входа им на Уитстонов мост с поне един сензор S за преобразуване на определена физична величина (температура, светлина, налягане, влажност, механични усилия) в съпротивление. При това напрежението от моста се усилва G-пъти, което означава увеличаване на чувствителността. Такова свързване се нарича мостов усилвател (Bridge Amplifier) и идея за него е дадена на фиг. 5. Входният поляризиращ ток на ИУ протича през моста и създава върху него напрежение, което обуславя грешка при измерването. Поради това съпротивленията на моста трябва да са до определена стойност, зависеща от използвания ИУ.

Твърде често напрежението на мостовия усилвател трябва да бъде предадено по линия, което изисква между нея и усилвателя да се свърже допълнителен буфер. За тези случаи може да се използва АМ411, чиято структура и типично свързване на външните елементи са дадени на фиг. 6. Захранването на моста се осигурява с напрежение +5 V от извод VREF, получавано от блок REF. Измервателният усилвател IA е с GIA = 5 и CMRR = 90 dB, а буферът В реално е ОУ. Желаният общ коефициент на усилване G = (1 +R2/R1)GIA се установява чрез външните резистори R1 и R2. И тук е възможно на извод ZA да се подаде постоянно напрежение (вместо да е замасен), което се прибавя към изходното Uo.

Голяма област на приложене е измерването и контролът на значителни токове чрез напрежението, което създават върху нискоомен резистор. Характерни примери са електродвигателите, хидравличните системи и появилите се напоследък 42-волтови акумулаторни системи. Идея за типичната схема на свързване е дадена на фиг. 7 с изходно напрежение Uo = GRsI. При големи синфазни напрежения са подходящи прецизните диференциални усилватели. Подробности за измерването на токове могат да бъдат намерени в статията “Измерване и контролиране на ток” в брой 2 на Инженеринг ревю от 2004 г.

Измерването на температура чрез термодвойки изисква усилване на неголямото им напрежение. Например термодвойка тип К дава 40,6 mV/°С, което за превръщане в често използваната стойност 10 mV/°С трябва да бъде усилено 246 пъти. На фиг. 8 е даден ИУ, отговарящ на тези условия и осигуряващ измерване на температури между 0 и 350°С. Неговият коефициент на усилване се настройва чрез потенциометъра 100 W, а чрез резисторите по 10 MW и 1 MW на входовете на LTC2053 се установява половината от захранващото напрежение, необходимо за единичното захранване. Както е известно, точното измерване с термодвойки изисква студеният им край да е с постоянна температура. Вместо трудното й подържане в схемата тя се измерва чрез сензора LTC1025. Чрез буфера LTC2050 той осигурява на вход REF на LTC2050 постоянно напрежение, което компенсира промените на температурата, т.е. все едно че тя е неизменна. Схемата работи със захранващо напрежение между 3,5 и 5 V, от което консумира ток 1,8 mA. Това й позволява да бъде вграждана в апаратури с батерийно захранване.

Схема на генератор на ток с цифрово управление е дадена на фиг. 9. Напрежението Ui (допустима стойност 0,25-0,5 mV) се усилва G-пъти и обуславя върху Rs напрежение GUi. Резултатът е ток IL = GUi/Rs през резистора и съответно товара L. Например при Ui = 0,5 mV и Rs = 50 W се получава IL[mA] = 0,01G, т.е. задаване на стойности между 10 mA и 40,96 mA.

Таблици 1-3 показват, че минималното двойно захранване на ИУ е ±2,3 V. При нужда от по-малко захранващо напрежение схемата на фиг. 2 може да се реализира с подходящи нисковолтови ОУ. Например при използване на ALD1726, ALD2711A или ALD2721 на Advanced Linear Devices може да се реализира ИУ със захранващи напрежения ±1 V.

Стефан Куцаров




Top