Интегрални усилватели за индустриални приложения

ПОДОБНИ СТАТИИ

Аудио интегрални схеми

Как да избeрем усилвател за тензодатчици

Новости в операционните усилватели

Измервателни усилватели

Стефан Куцаров

Oсновната част от тази голяма група са операционните усилватели (ОУ), като за индустриалните приложения е необходимо да се отчитат редица специфични изисквания към параметрите на интегралните схеми, някои особености в структурата, както и типът на корпусите.

Това определя масовото използване в индустрията на някои познати типове ОУ, които имат редки и специфични приложения в потребителската електроника. Поради това за всеки от разгледаните в статията типове са дадени характерни индустриални приложения. По-малък, но не по-малко важен, е относителният дял на други интегрални усилватели с основно приложение в индустриалната електроника.

Усилватели с напрежения до захранването (Rail-to-Rail)
Това са ОУ, чието специфично наименование означава, че максималното изходно напрежение (а в някои случаи и входното) е много близко до захранващите напрежения, като специфичен параметър е разликата между тях (Voltage Swing from the Rail) Vo. Когато само изходното напрежение отговаря на това условие, английският термин за ОУ е Rail-to-Rail Output Amplifier, докато Rail-to-Rail I/O Amplifier или RRIO Operational Amplifier показва, че то се отнася и за входното напрежение.

При използването на Vo като параметър трябва да има предвид, че то бързо нараства с намаляване на съпротивлението RL на товара в изхода. Например ОУ от ред 8 на табл. 1 има Vo = 5 mV при работа на празен ход, то е 95 mV с RL = 10 kW и 430 mV при RL = 2 kW, докато с малки изключения стойностите му в таблицата за дадените ОУ са за 10 kW.

Независимо от това в много практически случаи се приема, че при единично захранване входното и/или изходното напрежение могат да се променят между 0 и положителното захранващо напрежение VS+ и при двойно захранване между него и отрицателното захранващо напрежение VS-.

Коефициентът на усилване на ОУ (Open-Loop Voltage Gain) AoL също намалява с понижаване на RL, поради което в документацията стойността му се дава при едно или няколко фиксирани съпротивления. Принадлежащите към този вид ОУ обикновено са CMOS и по-рядко BiCMOS, което в множество случаи води до предимствата на малък консумиран ток (Quiescent Current) IQ и много големи входни постояннотокови съпротивления – диференциално (Differential Input Resistance) RID и синфазно (Common-Mode Input Resistance) RIC.

Тъй като при работа с променливи напрежения трябва да се имат предвид и паразитните капацитети успоредно на съпротивленията, някои производители дават като параметри импедансите ZID и ZIC във вида RIIC при С в pF. Например диференциалният импеданс на ОУ от ред 8 на табл. 1 е 20 MW при 1 kHz.

Благодарение на съвременната CMOS технология значителна част от ОУ са със сравнително голям коефициент на широколентност (Gain Bandwidth) GBW, значителна стойност на скоростта на нарастване на изходното им напрежение (Slew Rate) SR и, съответно, сравнително малко време на неговото установяване (Settling Time) tS при скокообразна промяна на входното напрежение.

Недостатък на технологията са сравнително малките стойности на коефициента на потискане на синфазните сигнали (Common-Mode Rejection Ratio) CMRR или CMR, което ограничава ОУ за работа с големи синфазни входни напрежения.

Друга особеност е, че почти винаги производителите предлагат набор от два или повече ОУ с еднакви основни параметри, но различаващи се по структурата, например единичен, двоен и четворен (Quad) ОУ, както и по ползвания корпус. При няколко ОУ в корпус стойността на IQ обикновено се дава за един от тях.

По отношение на изхода параметри са изходният импеданс (Open-Loop Output Impedance) Zo при дадена честота, максималният изходен ток Io и стойността му при късо съединение с изхода ISC. Съществена е и възможността за работа на ОУ със значителен капацитивен товар, което се оценява чрез максималната му стойност (Capacitive Load Drive) CLmax.

Индустриални приложения. Използват се в системи за събиране на данни, измервателно оборудване, пикоамперметри, програмируеми контролери (PLC), входни буфери на АЦП, комуникационни устройства, Рh-метри, детектори на йонизиращи лъчения, пиезоелектрични сензори, усилватели за капацитивни сензори, фотодиодни усилватели, драйвери за коаксиални линии, преобразуватели на ток в напрежение и др.

Измервателни усилватели
Наименованието им (Instrumentation Amplifier) IA показва, че основното специфично изискване е осигуряване на голяма точност при измерване на входното напрежение, към което се прибавя задаването на коефициента на усилване (Gain) G чрез един или два външни резистора – в табл. 2 първият тип са означени като 1R, а вторият с 2R.

Точността на G се определя главно от производствения толеранс на резисторите, а зависимостта му от съпротивленията им се дава в документацията. Схемата на IA обикновено съдържа три прецизни ОУ (в някои случаи с накъсване на сигнала) и има много голямо входно съпротивление за реално избягване на влиянието на вътрешното съпротивление на източника на входно напрежение.

Специфични параметри са относителната грешка (Gain Error) поради влиянието на AoL на ОУ (типични стойности между няколко хилядни и няколко стотни от %) и нелинейността (Gain Nonlinearity), показваща зависимостта на G от стойността на входното напрежение (типично между няколко и няколко десетки ppm). Особеност е, че GBW е произведение на G и горната гранична честота на усилвателя и заедно с CMRR и tS зависи от избраната стойност на G - в документацията се дават няколко стойности на тези параметри при различни G.

Входните напрежения практически винаги са постоянни или бавно изменящи се и са пропорционални на измерваната физична величина или на ток, протичащ през еталонен резистор. Малките стойности на напреженията определят важността на собствения шум на IA, един от начините за чието определяне е чрез входното шумово напрежение (Input Voltage Noise) EnI, давано от връх до връх.

То представлява напрежението на входа на “безшумен” усилвател, което обуславя същия шум на изхода, както реалния IA. Тъй като по принцип EnI е правопропорционално на честотната лента на усилвателя, в документацията обикновено то се дава за 0-10 Hz. Специфичен параметър е и максималното входно напрежение за нормална работа на усилвателя (Operating Voltage Range) VIN.

Едно от популярните приложения на IA е реализацията на мостови усилватели (Bridge Amplifier), в които се усилва напрежението от диагонала на Уитстонов мост с преобразувател на физична величина (например налягане, опън) в съпротивление. Пример с усилвателя от ред 1 на табл. 2 е даден на фиг. 1, която показва още една особеност - наличието в част от IA на извод за подаване на опорно напрежение VREF, около което се променя изходното.

За разглежданата схема това означава изходно напрежение Vo = +2,5 V при нулево входно напрежение и Vo = +2,5 V + G x VIN при входно напрежение VIN. Съществено е, че VREF трябва да се осигурява от буфер с много малко вътрешно съпротивление, обикновено реализиран с ОУ.

Съществуват IA с вграден буфер, например даденият на ред 4 от табл. 2 (типичното му свързване е на фиг. 2). Схемата е и пример за ползване на два външни резистора, с което по принцип се реализира неинвертиращ усилвател с G = R2/R1. Стойността на UREF се задава чрез R3-R4, а самото напрежение се получава на извод REF спрямо маса.

Индустриални приложения. Освен в мостови усилватели IA се използват за измерване на ток през нискоомни резистори, на поток и температура (вкл. от термодвойки), в системи за събиране на данни, процес контролери, в теглоизмервателни прибори и др.

Усилватели с диференциален изход
Английското наименование (Fully Differential Amplifier) FDA на този вид усилватели означава, че те са с диференциален вход и изход, като последният е необходим за свързване на незамасени товари. Идея за тяхната структура е дадена на фиг. 3 и при положително напрежение на вход IN+ спрямо IN- се получава същата полярност на изход OUT+ по отношение на OUT-.

Двете вериги за отрицателна обратна връзка определят коефициент на усилване G = VOUT/VIN = RF/RG, а на входа VOCM обикновено се подава постоянно напрежение, което при VIN = 0 установява същото напрежение на OUT+ и OUT- спрямо маса. Важно е да се прибави, че FDA могат да работят и като усилватели с несиметричен  вход (VIN е на IN+ или IN- спрямо маса), което определя приложения като преобразуватели на несиметрично в симетрично напрежение.

Съществуват две разновидности на FDA, първата от които съдържа всички елементи на фиг. 3, а примери за нея са дадените в редове 1 и 2 на табл. 3. Този в ред 1 е представител на диференциалните буфери, чието основно предназначение е да осигуряват входното напрежение на АЦП, но могат да се използват и като блок в измервателни усилватели. Виждат се неголемите входни съпротивления и стойности на GBW и SR, които определят приложения за сравнително бавни АЦП (според документацията на усилвателя - за такива с максимална честота на преобразуване 250 kbps и разредност до n=16).

Даденият в ред 2 е за АЦП със същата максимална разредност и много по-висока честота поради стойността на GBW. Осигуряването на последния налага малки входни съпротивления и голям IQ. За намаляване на консумацията е предвидено изключване на усилвателя чрез специален извод, при което токът му намалява на 25 mA.

Втората разновидност на FDA съдържа само ОУ от фиг. 3, резисторите се свързват външно, а пример е даден в ред 3 на табл. 3. Недостатъкът от увеличаване на заеманата площ върху платката (поради резисторите) се компенсира от възможността за задаване на G. Освен за АЦП типични приложения са и драйвери за линии и активни филтри за диференциални сигнали.

Съществуват и IA с диференциален изход - примери са даденият в ред 2 на табл. 2 и ISL28617, специално предназначен за АЦП.

Програмируеми усилватели
Техният коефициент на усилване G се задава чрез двоично число, което действие е прието да се нарича програмиране и определя наименованието им (Digitally Programmable Gain Amplifier) PGA. Всеки от разредите на числото се подава непосредствено на съответстващ му вход (n-bit Parallel Interface, n-PI) или за целта се използва подходящ интерфейс.

Програмирането на G се извършва като чрез аналогови ключове се превключват резистори, определящи неговата стойност, което по принцип е възможно във всяка от съществуващите основни усилвателни схеми с ОУ. Именно последното определя различните видове PGA, примери за каквито са дадени в табл. 4.

Принципът на действие на PGA се изяснява чрез фиг. 4, която е блоковата схема на PGA от ред 2 на табл. 4. Това е неинвертиращ усилвател, като чрез RF-RG е отбелязан набор от резистори във веригата на отрицателната обратна връзка на ОУ, превключвани от аналогови ключове (Gain Switches) за промяна на G.

Управлението на ключовете, т. е. задаването на различни стойности на G, се осъществява чрез SPI интерфейс, а самият PGA може да се свързва към 8 източника чрез мултиплексора MUX. Блокът POR спира работата на PGA при захранващо напрежение под определена стойност.

Често в документацията за коефициента на усилване G се използва “мерната единица” V/V, а грешката в него (DC Gain Error) gE се дължи на толерансите на резисторите и съпротивленията на затворените аналогови ключове. Горната гранична честота BW се определя на ниво -3dB, както при класическите усилватели, и в повечето случаи е обратнопропорционална на G. Някои производители вместо нея дават GBW = G x BW.

Съвременните PGA обикновено са с входно и изходно напрежение, достигащи близко до захранването. Специфични параметри, които не са дадени в табл. 4, са свързани с управлението, например логическите нива на управляващите сигнали и работата на интерфейса. Особеност на PGA от ред 7 на табл. 4 са отделните захранващи напрежения на първото стъпало (дадените в таблицата) и на второто стъпало (+2,7 V ё +5,5 V).

Свързването на PGA е просто, което се вижда от фиг. 5, отнасяща се за двойния усилвател в ред 1 на табл. 4 – трите разреда на двоичното число постъпват на входове G0-G2, като при 000 се получава минималната стойност на G, а 111 е за максималната стойност.
Индустриални приложения.

Най-характерните са в системи за събиране на данни, за обработка на сигнали от сензори, управление на електродвигатели, за реализация на специализирани сумиращи усилватели (Scaling Amplifier). Нарастват приложенията на PGA като блокове на по-сложни ИС, пример за каквато е AD8283 на Analog Devices с 6 еднакви канала, всеки с малошумящ усилвател, PGA и филтър. Чрез мултиплексор техните изходни напрежения се подават на 12-разреден АЦП в изхода.

Мощни операционни усилватели
Този вид ОУ (Power Operational Amplifier) POA са предназначени за осигуряване на значителна електрическа мощност РOUT = VOUTIOUT върху свързания в изхода им товар. Няма точно определение над каква РOUT един ОУ представлява РОА, но може да се приеме стойността 100 mW. Висока РOUT може да се постигне чрез голям изходен ток IOUT при изходно напрежение VOUT от същия порядък, както при класическите ОУ, при което понякога се ползва наименованието ОУ с голям изходен ток (High-Current Operational Amplifier).

Втората възможност е високо VOUT и неголям изходен ток - високоволтови ОУ (High-Voltage Operational Amplifier), а третата - големи стойности на двете изходни величини. За приложенията на РОА са важни границите, в които е VOUT. При ползването на каталожни данни трябва да се има предвид, че често IOUT е максималният импулсен ток, а не постоянният изходен ток – например стойността му в ред 2 на табл.5 е за импулси с продължителност 3 ms и коефициент на запълване 0,1.

Логично върху РОА се разсейва под формата на топлина значителна мощност (Power Dissipation) PD. Оттук произтича използването на метални корпуси, монтирането им върху радиатори и прилагането на допълнителни мерки за охлаждане. За осигуряване на последното с минимални средства някои РОА (напр. даденият в ред 1 на табл. 5) могат да работят до температура на кристала 200°С.

Като допълнение на GBW се използва горната гранична честота за максимална мощност (Power Bandwidth) PB, при която РОА все още осигурява максималната POUT върху товара. Тя зависи от честотата f на изходното напрежение и затова в документацията обикновено има графики PB(f). За избягване на самовъзбуждане свързаният в изхода капацитет не трябва да надхвърля CLmax. Реализацията на усилватели с желан G  чрез РОА се извършва чрез външни резистори по същия начин, както при ОУ, пример за което е драйверът за линия с усукана двойка на фиг. 6.

Индустриални приложения. Сред характерните приложения на РОА с голям IOUT са управление на електродвигатели, задвижване на клапани и изпълнителни механизми, програмируеми мощни захранвания и температурни регулатори. Усилвателите за IOUT до около 2 А и голям GBW се използват за осигуряване на входните сигнали на комуникационни линии, във видеоусилватели и измервателни прибори. Специфично е използването на РОА с подобни параметри (напр. даденият в ред 4 на табл. 5) за осигуряване на работата на LCD и реализация на източници на напрежение.

Усилватели с галванично разделяне
Наименованието (Isolation Amplifier, Galvanic Isolation Amplifier) GIA подсказва предназначението им - за галванично разделяне на нисковолтовите схеми и прибори в техния изход от наличното високо напрежение на свързаните във входа. Съществуват и случаи, изискващи предпазване в обратна посока.

Изолиращото действие на GIA е свързано със специфичния параметър максимално допустимо напрежение вход-изход (Max Isolation Voltage Input to Output) VIS. При ползването на каталожна информация трябва да се има предвид, че понякога се дават поотделно постоянното напрежение и върховата стойност на променливото, от една страна, и средноквадратичната стойност (rms) на последното, от друга.

Многобройни са приложенията на подаване на входа на GIA на къси високоволтови импулси, които индуцират напрежение в изхода. За оценка на това влияние се използва параметърът нечувствителност към синфазни преходни процеси (Common-Mode Transient Immunity) CMTI.

Той е максималната стръмност на фронтовете на импулсно напрежение между масите на входа и изхода, при което създаденото изходно напрежение все още не пречи на работата на GIA. Освен него се използва еквивалентният параметър Common-Mode Rejection (CMR), който е отношението на входното и изходното напрежение. Особеност на GIА е отделното постояннотоково захранване на входната и изходната част, поради което техните напрежения и консумиран ток се дават поотделно - в табл. 6 е прието индекс “1” да е за входа, а “2” - за изхода.

Три са основните начини за реализация на галваничната изолация, като първият и най-стар е чрез използване на трансформатор (GIA от ред 1 на табл. 6). Необходим е и друг трансформатор за прехвърляне (чрез съответните преобразувания) на постоянното напрежение на изходния блок за захранване на входния блок.

Вторият начин е връзка вход-изход чрез инфрачервен оптрон, който се вижда от възприетото означение на структурата на този вид GIA на фиг. 7а (корпусът е на усилвателя от ред 2 на табл. 6). Вижда се и обикновено използваният диференциален изход на GIA. Предимство е липсата на влияние на външни магнитни полета, а недостатък - нелинейният характер на фотодиода в оптрона, който води до нелинейни изкривявания в изходното напрежение и ограничаване на максималната стойност на входното напрежение.

Третият начин е капацитивна връзка вход-изход, която не притежава недостатъците на предните два начина. Пример е GIA от ред 4 на табл. 6 със символично означение на структурата му на фиг. 7б.

Индустриални приложения. Основните включват управление на електродвигатели, честотни конвертори, непрекъсваеми захранвания, високоволтови измервателни усилватели и др.

Усилватели с предавателен импеданс
Те имат много ниско входно съпротивление, с което рязко се намалява влиянието на входните паразитни капацитети и, съответно, може да се увеличи горната гранична честота. Това съпротивление определя като входна величина тока IIN и вместо G се използва параметърът предавателен импеданс (Transimpedance) ZT = VOUT/IIN с измерение на съпротивление или често използваното V/A. Това определя английското наименование Transimpedance Amplifier (TIA).

Характерен пример е ADN2880 на Analog Devices със ZT = 4400 W и VOUTmax = 260 mVp-p, което обуславя максимален IIN = 260 mV/4400 W = 59 mAp-p. Обикновено TIA се използват в комуникационни оптични приемници, като на входа им се свързва инфрачервен светодиод и неговият ток, пропорционален на амплитудата на постъпващите светлинни импулси, представлява IIN. Споменатият TIA обработва импулси със скорост до 3,2 Gbps, но има усилватели със скорост повече от един порядък по-висока – например, ASNT6121 на Adsantec работи до 43 Gbps.

Усилватели за измерване на ток
Принципът на измерване е свързване във веригата на тока I на нискоомен резистор RSENSE и подаване на полученото върху него напрежение VSENSE = RSENSE x I на входа на усилвател с изходно напрежение VOUT = G x RSENSE x I.

Първата схема на свързване (фиг. 8а) е със замасен RSENSE (Low-Side Current Sensing) и има предимствата на усилвател с несиметричен вход и малко негово синфазно напрежение, поради което за реализация могат да се използват произволни прецизни ОУ (вкл. с напрежение до захранването) и измервателни усилватели.

Приложенията са сравнително ограничени поради основния недостатък на превръщане на обикновено замасения товар L в незамасен, което може значително да усложни конструкцията.

Схемата с незамасен товар (фиг. 8б), известна като High-Side Current Sensing, не притежава този недостатък и използването на усилвател с диференциален вход (наричан понякога Difference Amplifier) не се счита за сериозно усложнение, независимо че в немалко приложения той трябва да допуска твърде голямо синфазно напрежение.

По-често използваните английски термини са Current Sense Amplifier (CSA), Current Shunt Amplifier и Current Shunt Monitor. Стойността на G може да е фиксирана от вградени резистори или да се задава чрез външни, като относителната грешка gE на G е в сила само за първия случай.

При ползването на CSA трябва да се взима предвид максималното им входно напрежение (Full-Scale Sense Voltage, Differential Input Voltage Range) VFS и максималното изходно напрежение VOUTmax = VS - VoH - VoL, където VoH и VoL са стойностите съответно на Vo към захранващото напрежение и маса. По-малкото от напреженията VFS и VOUTmax/G се означава с VSENSEmax и чрез него се избира RSENSE Ј VSENSEmax/Imax при даден максимален измерван ток Imax.

Например CSA от ред 2 на табл. 7 при VS = 5 V има VSENSEmax = 49 mV, а при VS > 20 V то е 200 mV. При тези пресмятания трябва да се внимава, тъй като VoH обикновено зависи от VS, а VoL не винаги се дава в документацията. Максималната възможна честота на измервания ток е BW, а параметрите SR и tS показват промените на изходното напрежение при даден импулс на тока.

Все по-често изходното напрежение на CSA не се ползва непосредствено, а се превръща в цифров вид, поради което вече съществуват системи за измерване на ток, представляващи ИС с CSA, АЦП и някой от разпространените интерфейси. Типичен пример е ЕМС1704 на Microchip Technology за измерване на ток с относителна грешка 1%, която съдържа 15b АЦП и работи с интерфейсите SMBus 2.0 и I2C за извеждане на данните и адресиране.

Тя има VFS = 80 mV и може допълнително да измерва външна температура чрез свързан диод или биполярен транзистор. Схемата работи с VS = 3-24 V, има IQ = 0,61 mA и работен температурен обхват -40 ё +85 °С. Типично приложение е измерването на тока и температурата на постояннотокови захранвания с включване на вентилатор за охлаждане.

Друг пример е МАХ34409 на Maxim Integrated Products за едновременно измерване на четири тока, всеки с RSENSE = 10 mV/Imax. Използва се 8b АЦП, а захранващото напрежение и ток са 2,7 - 3,6 V и 0,83 mA при същия температурен обхват.

Индустриални приложения. Характерните приложения включват управление на постояннотокови електродвигатели, контрол на захранващите блокове на комуникационни системи, реализация на прецизни мощни източници на ток, контрол на акумулаторни батерии, фотоволтаични системи, интелигентни енергийни мрежи и др.