Точный преобразователь тока фотодиода на основе инструментального усилителя

Инструментальные усилители на базе трех ОУ

Классический инструментальный усилитель на базе трех ОУ (рис. 1) обеспечивает великолепное подавление синфазного сигнала и точную установку дифференциального коэффициента усиления посредством одного резистора. В основе данной архитектуры лежит двухкаскадная конфигурация: первый каскад обеспечивает единичное усиление синфазного сигнала и все (или почти все) дифференциальное усиление, а второй каскад обеспечивает единичное (или малое) дифференциальное усиление и все подавление синфазного сигнала (рис. 2).

Выходной сигнал большинства современных низковольтных усилителей имеет размах, равный напряжению питания (выход rail-to-rail), однако для входных сигналов это не обязательно так. Рассмотрим, тем не менее, работающий от одного источника питания (V_CC) инструментальный усилитель на базе трех ОУ с чрезвычайно высоким коэффициентом усиления и входом и выходом rail-torail, аналогичный изображенному на рис. 1.

Чтобы V_OUT1 и V_OUT2 не достигали уровней шин питания, необходимо обеспечить выполнение следующего неравенства:

Зачастую в схемах устанавливается V_REF = 0 (для однополярных входных сигналов) или V_REF = V_CC/2 (для биполярных входных сигналов).

При V_REF = 0 неравенство принимает следующий вид:

При V_REF = V_CC/2 неравенство принимает следующий вид:

Следствия из этих соотношений лучше всего пояснить на графике (рис. 3).

Серыми областями на рис. 3 обозначен диапазон синфазных входных напряжений (относительно дифференциальных входных напряжений), в котором выходы усилителей на рис. 1 (A1, A2) не будут насыщаться до уровней шин питания. Этот диапазон зависит от V_OUT и V_REF. Поскольку разность V_OUT–V_REF — это просто усиленное дифференциальное входное напряжение, допустимый диапазон синфазных входных напряжений меняется в зависимости от дифференциального входного напряжения.

На практике, разумеется, лучше всего по максимуму использовать усиление цепи, то есть максимальное выходное напряжение (V_OUT) должно достигаться при максимальном расчетном дифференциальном напряжении на входе. Черными областями на рис. 4 обозначен диапазон синфазных входных напряжений, при которых инструментальный усилитель усиливает максимальное дифференциальное входное напряжение (то есть при максимальном дифференциальном входном напряжении), так что V_OUT = 0 или V_OUT = V_CC.

Как можно видеть, в обоих случаях синфазное входное напряжение существенно ограничено. В частности:

Если требуется полностью усилить однополярный дифференциальный входной сигнал (устанавливая VREF = 0 и получая диапазон выходных напряжений от 0 до VCC), наряду с сигналом должно присутствовать синфазное напряжение, равное 1/2VCC. При любом другом синфазном напряжении размах выходного напряжения не достигнет VCC (максимальное дифференциальное входное напряжение уменьшится). Для биполярных дифференциальных входных сигналов (VREF = 1/2VCC) соответствующий диапазон синфазных напряжений, в котором можно достичь размаха выходного напряжения от 0 до VCC, составляет всего от 1/4VCC до 3/4VCC.
В обоих случаях, если бы синфазное напряжение равнялось напряжению «земли» (0 В) или было близким к нему, то усилитель потерял бы способность усиливать дифференциальные напряжения. Поэтому, предполагая, что (желательные) дифференциальные входные напряжения не связаны с (нежелательными) синфазными входными напряжениями, можно заключить, что черные области представляют минимальные и максимальные расчетные значения VCM, при которых сохраняется весь диапазон VOUT. За пределами этой области некоторые сочетания VDIFF и VCM могут привести к недопустимым значениям VCM

Обратите внимание, что в случае, изображенном на рис. 4a, если требуется изменение VCM во всем диапазоне, допуск по синфазному входному напряжению равен нулю

Проще говоря, синфазные изменения входного сигнала недопустимы.

В силу вышесказанного инструментальные усилители на базе трех ОУ находят лишь ограниченное применение в системах с одним источником питания. В продолжение беседы нелишним будет ответить на два вопроса:

1. Что произойдет, если внутренние усилители (A1 и A2) насытятся до уровней шин питания?
2. Каковы следствия для архитектур с диапазоном входных напряжений, меньшим напряжения питания (не rail-to-rail)?

Простой буфер для больших сигналов

LTC6090 ведет себя как обычный операционный усилитель, скорректированный до коэффициента усиления, равного единице, так что создание буферного каскада электрометрического класса сводится просто к тому, чтобы обеспечить стопроцентную обратную связь в классической схеме с единичным усилением. Для этого не требуются ни дискретные МОП транзисторы, ни плавающие источники питания.

Рисунок 2.	Активный щуп для цифрового вольтметра.

Как показано на Рисунке 2, микросхему LTC6090 можно легко подключить к расщепленному источнику питания, такому, например, как обратноходовой преобразователь напряжения батареи. Это простая схема может обеспечить прецизионное измерение напряжений в высокоомных схемах и с высокой точностью пропускать сигналы, пиковые уровни которых лишь на 3 В не доходят до обеих шин питания (в нашем случае это ±62 В). При типовом входном токе утечки менее 5 пА нагрузка на схему совершенно несущественна даже для импедансов источника, приближающихся к гигаому. Полезная полоса частот, в которой не происходит спада амплитуды большого сигнала, превышает 20 кГц.

Analog Devices AD8221 OP27

Moshe Gerstanhaber

EDN

Современные высокопроизводительные АЦП имеют дифференциальные входы, позволяющие дифференциально реализовать весь путь прохождения сигнала от датчика до преобразователя. Эта структура обеспечивает значительные преимущества в характеристиках, поскольку дифференциальные сигналы расширяют динамический диапазон, уменьшают фон и устраняют помехи по земле. На Рисунках 1а и 1б показаны две распространенные схемы инструментальных усилителей с дифференциальным выходом. Первая имеет единичное усиление, а коэффициент усиления второй равен двум. Обе схемы, однако, по сравнению с инструментальным усилителем с несимметричным выходом, имеют повышенные шумы и ошибки смещения, дрейфа смещения, усиления и дрейфа усиления.

На Рисунке 2 изображен инструментальный усилитель с дифференциальным выходом, не имеющий ни одного из этих недостатков. В схеме используется тот факт, что выходной сигнал инструментального усилителя AD8221 представляет собой разность между выходным напряжением V_OUT и напряжением опорного вывода V_REF. В этом варианте между двумя выводами добавлен инвертор с усилением –1.

Если входное напряжение равно V, выходное напряжение (V_OUT – V_REF) также должно быть равно V. Напряжение V_REF на опорном выводе имеет полярность, противоположную полярности выходного сигнала V_OUT. Поэтому выходное напряжение должно быть

а

чтобы выполнить условие

Подача сигнала 2.5 В на неинвертирующий вывод операционного усилителя задает уровень выходного синфазного сигнала. Операционный усилитель устанавливает 2.5 В в Узле B. Соответственно, если подать на вход напряжение 1 В, в Узле A установится напряжение 1 В, и 2 В в Узле C. Таким образом, пределы изменения выходного напряжения на 0.5 В выше и на 0.5 В ниже, чем 2.5 В. Ошибки от разности V_OUT – V_REF являются функцией только инструментального усилителя. Такие артефакты как смещение, шумы и ошибки усиления, порождаемые инвертирующим усилителем и резисторами, одинаково влияют на оба выхода. Поэтому они присутствуют только в синфазном выходном сигнале и подавляются АЦП. Работу усилителя иллюстрирует Рисунок 3. Верхняя осциллограмма соответствует входному сигналу амплитудой 2 В пик-пик с частотой 1 кГц. Нижняя осциллограмма представляет два выходных сигнала. Синфазное выходное напряжение равно 2.5 В. Спектральная плотность дифференциального выходного сигнала показана на Рисунке 4.

Материалы по теме

1. Datasheet Analog Devices AD8221
2. Datasheet Analog Devices OP27

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: Instrumentation amp has differential outputs

31 предложений от 24 поставщиков
Исполнение: SOIC-8. IC AMP INST PREC LN 18MA 8SOIC Корпус : SOIC-8 Тип ОУ : Прецизионный Программируемое усиление В/В: Нет Количество…

Публикации по теме

• Новости Analog Devices: новый прецизионный инструментальный усилитель с обычным режимом резекции в MSOP корпусе обеспечивает самый широкую полосу пропускания в индустрии — AD8221
• Статьи Использование усилителя с дифференциальными входами/выходами в приложениях с несимметричными сигналами — LTC6406
• Новости Mercury приступила к производству недорогих кварцевых генераторов с дифференциальными выходами LVPECL и LVDS — HPK5361, HDK5361
• Схемы INA333 — инструментальный усилитель с нулевым дрейфом
• Схемы Инструментальный усилитель компенсирует напряжение смещения системы при работе от одного источника питания

Электрометрический усилитель

Электрометрические усилители — это такие усилители постоянного напряжения, у которых реализуется требуемое большое входное сопротивление ( до 1014 Ом) благодаря наличию электрометрических ламп во входном контуре. Однако в настоящее время они вытеснены полностью отовсюду ( за исключением областей специального применения) усилителями заряда.
 

Электрометрический усилитель 8, схема которого приведена на рис. IX. ДВх — 1011 ом) и может работать с любым стеклянным электродом.
 

Электрометрический усилитель ( рис. 4.56) позволяет измерять входные токи 5 — 10 — le — 5 — 10 — 12 А. На входе усилителя применен полевой транзистор VT в схеме истокового повторителя. Сигнал с истока полевого транзистора подается на вход ОУ. Сопротивление резистора R2 следует подбирать с учетом разброса параметров полевого транзистора. Выходной сигнал полевого транзистора подается на инвертирующий вход интегральной микросхемы. На неинвертиующий вход этой микросхемы подается постоянное напряжение, с помощью которого согласуются входы усилителя по постоянному уровню. Резистор R8 осуществляет грубую, резистор R7 — плавную балансировку ОУ. Параллельно этому резистору может быть включена цепочка R5, CI, которая увеличивает коэффициент усиления и расширяет полосу пропускания усилителя. Постоянная времени при этом уменьшается с 0 1 до 15 мс.
 

Электрометрический усилитель выполнен в виде выносного блока, что позволяет подключить его непосредственно к исследуемому источнику и тем самым устранить входную емкость проводов, увеличивающую время измерения, а также снизить наводки от электрических полей

Необходимо обращать внимание на тщательность экранировки соединения усилителя и источника сигнала.
 . Современные электрометрические усилители для газовых хроматографов обладают чувствительностью до ЫСН2 А на полную шкалу регистратора и весьма малым уровнем шума — до 5 — 10 — 15 А, при этом постоянная времени усилителя не превышает 0 5 с

Хотя линейный диапазон современных электроусилителей достаточно велик ( 104), он не передиапазона ПИД. Поэтому в усилителе предусматривается переключение чувствительности по входу, реализуемое, как правило, вручную.
 

Современные электрометрические усилители для газовых хроматографов обладают чувствительностью до ЫСН2 А на полную шкалу регистратора и весьма малым уровнем шума — до 5 — 10 — 15 А, при этом постоянная времени усилителя не превышает 0 5 с. Хотя линейный диапазон современных электроусилителей достаточно велик ( 104), он не передиапазона ПИД. Поэтому в усилителе предусматривается переключение чувствительности по входу, реализуемое, как правило, вручную.
 

Электрометрическими усилителями ( ЭМУ) называются электронные усилители, предназначенные для усиления и регистрации весьма малых токов ( 10 — 8 — 10 — 15 а), которые, как правило, медленно меняются во времени.
 

Применяя электрометрические усилители ( см. гл.
 

Описан однокаскадный электрометрический усилитель с компенсацией нулевого тока. Приведена схема усилителя для спаренного пламенно-ионизационного детектора. Подробно описана калибровка прибора.
 

Шкала электрометрического усилителя 10 — 10 А, что соответствует чувствительности регистратора BI 25 — Ю10 см / А. Скорость движения диаграммной ленты В2 1200 мм / ч 2 см / мин.
 

Заслуживают внимания электрометрические усилители с преобразователями на варикапах и полевых транзисторах, имеюш ие высокое входное сопротивление и сравнительно широкую полосу пропускания. С их помощью можно регистрировать процессы, частота которых достигает нескольких килогерц.
 

Выходной сигнал электрометрического усилителя прикладывается к преобразователю НД, который достигает уравновешивания.
 

Входное сопротивление электрометрического усилителя очень большое.
 

Анализ шумов

Следующий анализ упрощенной схемы на Рисунке 2 показывает, что соединенные таким образом два усилителя AD8428 уменьшают шум в √2 раз. Шум каждого усилителя может быть смоделирован напряжением на его входе +IN. Для определения общего шума следует заземлить входы и использовать метод суперпозиции для объединения источников шумов.

Рисунок 2.	Упрощенная модель схемы для анализа шумов.

Шум источника e_n1 приходит на выход предусилителя микросхемы A1 дифференциально усиленным в 200 раз. Для этой части анализа выходы предусилителя микросхемы A2 считаем не содержащими шумов, а его входы заземленными. Резистивный делитель 6 кОм/6 кОм между каждым выходом предусилителя микросхемы A1 и соответствующим выходом предусилителя микросхемы A2 может быть заменен его эквивалентом Тевенина: половиной шумового напряжения предусилителя A1 с последовательным сопротивлением 3 кОм. Это деление и является тем механизмом, который уменьшает шумы. Полный анализ методом узловых потенциалов показывает, что шум e_n1 усиливается на выходе до уровня 1000 × e_n1. Исходя из симметрии схемы, естественно заключить, что вклад от e_n2 будет равен 1000 × e_n2. Одинаковые и равные en уровни e_n1 и e_n2 добавляются как корень из суммы квадратов, в результате чего общий выходной шум равен 1414 × e_n.

Для того чтобы привести его обратно к входу, необходимо определить величину коэффициента усиления. Предположим, что между выводами +ВХОД и –ВХОД приложен дифференциальный сигнал V_IN. Дифференциальное напряжение на выходе первого каскада A1 будет равно V_IN × 200. Такие же напряжения возникают и на выходах предварительного усилителя микросхемы A2, поэтому делитель 6 кОм/6 кОм никак не влияет на сигнал, и анализ методом узловых потенциалов показывает, что выходное напряжение равно V_IN × 2000. Таким образом, общее напряжение приведенного к входу шума равно e_n × 1414/2000, или, что тоже, e_n/√2. Подставив сюда типовое для AD8428 значение плотности шума 1.3 нВ/√Гц, получим, что конфигурация из двух усилителей дает плотность шума порядка 0.92 нВ/√Гц.

При добавлении усилителей меняется импеданс вывода фильтра, что также уменьшает уровень шума. Например, при использовании четырех AD8428 в конфигурации, показанной на Рисунке 1, между выведенным на контакт фильтра резистором 6 кОм и каждым из нешумящих выходов предусилителей оказываются подключенными три резистора по 6 кОм. Это фактически образует резистивный делитель 6 кОм/2 кОм, ослабляющий напряжение шума в четыре раза. Тогда общий шум четырех усилителей, как и предсказывалось, становится равным e_n/2.

Типы усилителей

Активный усилитель — усилитель, в котором усиление сигнала осуществляется за счёт энергии внешнего источника. В сервоприводах (как то: гидро-, электро-, пневмоусилители) усиливается исходное механическое движение (как правило, оператора), за счёт внешней энергии. В электрических усилителях увеличивается амплитуда исходного сигнала (по напряжению и силе тока). В фотоумножителях усиливается интенсивность исходного светового потока. В активных усилителях часто используется обратная связь: положительная — для повышения чувствительности; отрицательная — для улучшения точности/стабильности.

• Пассивный усилитель — усилитель, в котором усиление одной (необходимой) характеристики сигнала осуществляется за счёт уменьшения других характеристик. Например, домкрат (а также тисы, ручная таль, рычаг) является усилителем движения (силы) руки за счёт скорости (скорость (характеристика сигнала) уменьшается). Мухобойка и теннисная ракетка для сравнения являются усилителями скорости (за счёт уменьшения силы и/или времени воздействия). Виды пассивных уситилелей:
  • резонаторы и экраны — усилители, применяемые для усиления периодических (гармонических) колебаний в приёмниках и передатчиках звуковых и радиоволн, выполняющие усиление рабочей полосы в выбранном направлении за счёт уменьшения общей полосы и других направлений приёма/излучения;
  • зеркала и линзы — усилители для оптики, выполняющие усиление для выбранного участка (угла) наблюдения/освещения в ущерб остальным (участкам, углам). К таким усилителям относятся все оптические системы от лупы до телескопа;
  • системы с накоплением энергии — усилители, в которых большую часть времени происходит только накопление энергии сигнала (подаваемой относительно равномерно), и меньшую часть времени (чаще — импульсно) происходит отдача накопленного и усиленного сигнала на выходе. К таким усилителям относят молоток, преодоление крутой горки автомобилем «с разгона», систему зажигания (катушку зажигания) бензиновых двигателей, рубиновые лазеры, гидротаранный насос.

Смежные понятия

• Увеличитель — практически полный синоним слова «усилитель», однако чаще употребляется для обозначения устройств, увеличивающих линейные размеры сигнала, что характерно для оптики (фотоувеличитель, увеличительное стекло). Устоявшиеся термины: «увеличитель сцепного веса», «увеличитель крутящего момента».
• Ускоритель — устройство, увеличивающее скорость совершения процесса или движения частиц.
• Умножитель — вид усилителя, в котором увеличение характеристики сигнала происходит в кратное число раз (соответственно числу ступеней). Примеры: умножитель напряжения, умножитель частоты, фотоэлектронный умножитель.

Следствия для архитектур с диапазоном входных напряжений, меньшим напряжения питания

Как уже отмечалось, большинство усилителей имеют выход rail-to-rail, но для входных сигналов это не так. Для прецизионных схем проектирование каскадов с входом rail-to-rail представляет особенно трудную задачу, поскольку переход от режима с синфазным напряжением в окрестности V_CC к режиму с синфазным напряжением в окрестности напряжения «земли» не может быть идеальным: во время этого перехода между парами n— и p-типов в дифференциальном входном каскаде могут возникать напряжения смещения. Малое значение V_OS и высокий коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR) — основные требования к правильно сконструированному прецизионному инструментальному усилителю. Поскольку CMRR = DV_OS/DV_CM, изменение V_OS при изменении синфазного напряжения в переходной области значительно ухудшает номинальное значение CMRR.

Вследствие этого, у большинства прецизионных инструментальных усилителей диапазон входных напряжений обычно меньше напряжения питания, хотя напряжение отрицательной шины (0 В) все же входит в диапазон допустимых синфазных напряжений. Перестроив графики на рис. 3 с учетом рассмотренных ограничений на синфазное напряжение, можно получить графики для инструментального усилителя на базе трех ОУ, работающего от одного источника питания, с учетом входного каскада с диапазоном напряжений, меньшим напряжения питания (рис. 5).

Архитектура с косвенной обратной связью по току

Архитектура с косвенной обратной связью по току — новый подход к проектированию инструментальных усилителей, приобретший чрезвычайную популярность ввиду множества преимуществ. На рис. 6 показана реализация архитектуры с косвенной обратной связью по току в инструментальных усилителях MAX4462 и MAX4209.

Эта новая архитектура предусматривает усилитель с высоким коэффициентом усиления (C) и два усилителя тока, управляемых напряжением (A и B). Каждый из усилителей A и B преобразует входное дифференциальное напряжение в выходной ток и полностью подавляет синфазное входное напряжение. В стабильной рабочей точке усилителя выходной ток g_M-каскада A равен входному току g_M-каскада B. Это равенство обеспечивается обратной связью через усилитель C, которая принудительно обеспечивает равенство дифференциального напряжения на входе усилителя обратной связи B дифференциальному напряжению на входах усилителя A. Схема устанавливает определенное значение тока в цепочке выходных резисторов (равное V_DIFF/R1). Этот ток также протекает через R2. Поэтому выходное напряжение на выводе OUT — это не что иное, как усиленное дифференциальное входное напряжение (G = 1+R2/R1). Далее на выходе можно установить смещение, подав произвольное опорное напряжение на вход REF, как в стандартном инструментальном усилителе с тремя ОУ.

Изобразив принцип действия компонента на блок-схеме (рис. 7) и сравнив результат с рис. 2, можно увидеть ключевое преимущество. Промежуточный сигнал в инструментальном усилителе на базе трех ОУ содержит не только усиленное дифференциальное напряжение, но и синфазное входное напряжение. В отличие от этого, в архитектуре с косвенной обратной связью по току содержится только представление дифференциального входного напряжения с небольшой задержкой. Первый каскад обеспечивает все подавление синфазного сигнала. Второй каскад обеспечивает все дифференциальное усиление и увеличивает подавление синфазного напряжения, позволяя при необходимости сместить выход на величину опорного напряжения. В итоге ограничения на синфазное входное напряжение, свойственные инструментальным усилителям на базе трех ОУ, отсутствуют как таковые в архитектуре с косвенной обратной связью по току.

С учетом ограничений на величину синфазного входного напряжения (для входного каскада с диапазоном напряжений, меньшим напряжения питания) переходные характеристики приобретают вид, похожий на графики рис. 8. Черными областями обозначен расчетный диапазон синфазных входных напряжений, в котором доступен весь диапазон выходных напряжений. Серые области представляют диапазон синфазных входных напряжений, в котором инструментальный усилитель работает так, как ожидается: напряжение на его выходе пропорционально дифференциальному входному напряжению, а синфазное входное напряжение полностью подавляется. Черная область, содержащаяся в серой области, обозначает пределы, в которых доступен весь диапазон выходных напряжений.