Разработка дифференциальных схем усилителя для повышения целостности сигналов в системах сбора данных

Топологии дифференциальных усилителей могут быть построены из дискретных компонентов (транзисторов, резисторов) или интегрированных операционных усилителей (op-amps). Современные реализации преимущественно полагаются на прецизионные операционные усилители из-за их простоты использования, согласованных характеристик и доступности в небольших пакетах. Простейший дифференциальный усилитель с использованием одного оп-ампа состоит из четырех резисторов, расположенных в конфигурации моста. Однако практические ограничения, такие как несоответствие резисторов, конечное входное сопротивление и ограниченная пропускная способность, часто требуют более сложных архитектур, включая усилители приборов и полностью дифференциальные усилители.

Проектирование систем для приобретения данных

Проектирование дифференциального усилителя для системы DAQ требует целостной оценки нескольких взаимозависимых параметров. Пренебрежение любым одним аспектом может ухудшить общую производительность, что приводит к ошибкам измерения, уменьшению динамического диапазона или увеличению шумового поля. Ниже приведены критические факторы, которые необходимо учитывать на этапе проектирования.

Импеданс входа

Входное импеданс дифференциального усилителя должно быть достаточно высоким, чтобы избежать нагрузки на источник сигнала. Многие датчики, такие как термопары, тензодатчики и зонды pH, имеют высокие выходные импедансы и могут приводить в движение только малые токи. Низкое входное импеданс создавало бы эффект делителя напряжения, ослабляя сигнал и вводя ошибки усиления. Типичные усилители приборов предлагают входные импедансы в диапазоне гигаом, что делает их идеальными для таких применений. Для однооперационных дифференциальных схем входное импеданс определяется значениями резистора и, как правило, ниже; следовательно, буферные стадии (последовательности напряжения) часто добавляются для представления высокого импеданса к источнику.

Bandwidth и Slew Rate

Полоса пропускания усилителя должна превышать максимальную частотную составляющую интересующего сигнала. В системах DAQ это включает как полосу пропускания сигнала датчика, так и любые требования к сглаживающему фильтру. Полоса пропускания замкнутого цикла дифференциального усилителя определяется продуктом усиления-ширины полосы пропускания op-amp (GBWP) и сконфигурированным усилением. Для конфигураций с высокой частотой усиления полоса пропускания соответственно уменьшается. Дополнительно скорость разбиения должна быть достаточно быстрой, чтобы обрабатывать самый большой ожидаемый качание сигнала без введения искажений. Для высокоскоростного DAQ (например, вибрационный мониторинг или ультразвуковое изображение) часто предпочтительны полностью дифференциальные усилители с широкими полосами пропускания.

Шумовое исполнение

Шум в дифференциальных усилителях исходит от самого операционного усилителя (шум входного напряжения, шум тока, шум мерцания) и от внешнего резистора теплового шума. Для сохранения целостности сигнала необходимо выбирать компоненты с низкими шумовыми характеристиками. Для низкочастотных прецизионных приложений необходимы операционные усилители с низкими частотами углового шума 1/f. Значения резистора должны быть как можно ниже, чтобы минимизировать шум Джонсона-Никвиста, но не настолько низкими, чтобы они загружали источник или увеличивали рассеивание мощности. Анализ шума с использованием характеристик листа данных операционного усилителя и сети резисторов необходим для обеспечения того, чтобы общий шум выходного сигнала оставался ниже шумового бюджета системы.

Отношение отказа в обычном режиме (CMRR)

CMRR, пожалуй, является наиболее важной спецификацией дифференциального усилителя в шумных средах. Она указывает, насколько хорошо усилитель отклоняет напряжения общего режима — такие как шум линии электропередачи 50/60 Гц, радиочастотные помехи (RFI) и различия потенциалов земли. CMRR зависит как от внутреннего CMRR операционного усилителя, так и от соответствия внешнего резистора. В однооперационной дифференциальной схеме несоответствие всего 0,01% в соотношении резисторов может ограничить CMRR примерно до 80 дБ. Точные сети резисторов или тримм-потенциометры могут улучшить соответствие. Усилители приборов обычно достигают значений CMRR, превышающих 100 дБ на низких частотах, с тщательной компоновкой и следами защиты, дополнительно повышая производительность на более высоких частотах.

Отношение отказа от подачи электроэнергии (PSRR) и соображения о поставках

Шум на рельсах питания может соединяться с выходом усилителя, ухудшая качество сигнала. PSRR количественно оценивает способность усилителя отклонять изменения питания. Использование специализированных регуляторов с низким уровнем выпадения (LDO), ферритовых шариков и разъединяющих конденсаторов вблизи штифтов операционного усилителя является стандартной практикой. Для систем DAQ с батарейным питанием необходимо также учитывать ток подачи для максимизации времени выполнения. Многие современные операционные усилители предлагают возможности ввода/вывода рельсов/рельсов (RRIO), позволяющие работать от одного источника при сохранении динамического диапазона.

Температурная стабильность и дрейф

Изменения температуры влияют на значения резисторов и напряжения смещения операционного усилителя, что приводит к увеличению и смещению дрейфа. Для систем, работающих в широких температурных диапазонах, рекомендуются компоненты с низкими температурными коэффициентами (например, резисторы ±5 ppm/°C) и оп-амперы, стабилизированные вертолетом (авто-ноль). Эти компоненты минимизируют дрейф и поддерживают калибровку с течением времени.

Стратегии реализации дифференциальных усилителей

Выбор правильной топологии и конфигурации имеет важное значение для спецификаций системы соответствия. Три наиболее распространенных реализации - это дифференциальный усилитель с одним усилителем, приборный усилитель с тремя усилителями с полным дифференциальным усилителем. Каждый из них имеет различные преимущества и компромиссы.

Одно усилитель дифференциала Op-Amp

Классический четырехрезисторный дифференциальный усилитель является самым простым и недорогим решением. Его передаточная функция Vout = (R2/R1)*(V+-V−), предполагая, что R1 = R3 и R2 = R4. Несмотря на свою простоту, эта топология страдает от низкого входного импеданса (приблизительно R1 + R3) и плохого CMRR, если резисторы не точно совпадают. Он подходит только для источников с низким сопротивлением и приложений, где приемлема умеренная CMRR (50-80 дБ). Для повышения производительности могут использоваться сети резисторов с 0,01% соответствием, и могут быть добавлены буферы ввода, эффективно превращая его в двух-op-amp или трех-op-amp измерительный усилитель.

Трех-Op-Amp усилитель приборов

Это наиболее широко используемая топология для точного сбора данных. Она состоит из двух входных буферов (op-amps A1 и A2) с последующим разностным усилителем (op-amp A3). Входные буферы обеспечивают очень высокое входное сопротивление и позволяют устанавливать коэффициент усиления с помощью одного внешнего резистора (Rgain). Разностный усилитель обеспечивает отличную CMRR, потому что резисторы могут быть интегрированы на чипе с плотным согласованием. Коммерческие усилители приборов IC (например, AD620, INA128, AD8221) предлагают коэффициент усиления от 1 до 1000, CMRR > 100 дБ и низкий уровень шума. Для пользовательских конструкций могут использоваться дискретные операционные усилители, но требуется тщательная компоновка и соответствие резисторов. Трехоперационный усилитель IA идеально подходит для датчиков моста, ЭКГ / EKG и передатчиков промышленных процессов.

Настройка прибыли и компромиссы Bandwidth

В ИА с тремя операционными усилителями коэффициент усиления устанавливается как G = 1 + 2Rf/Rgain, где Rf являются резисторами обратной связи входных буферов. Высокий коэффициент усиления уменьшает полосу пропускания из-за конечного GBWP операционных усилителей. Например, AD8221 с GBWP 1,5 МГц при коэффициенте усиления 100 обеспечивает полосу пропускания всего 15 кГц. Если требуется более широкая полоса пропускания, коэффициент усиления может потребоваться распределить по нескольким этапам или выбрать оп-ампер с более высоким GBWP.

Полностью дифференциальный усилитель (FDA)

Полностью дифференциальные усилители обеспечивают как неинвертирующие, так и инвертирующие выходы, создавая сбалансированный дифференциальный выходной сигнал. Эта архитектура особенно полезна в высокоскоростных системах DAQ и смешанного сигнала, где дифференциальный выход может быть непосредственно связан с аналого-цифровым преобразователем (ADC) с дифференциальными входами. FDA предлагают отличный отказ от общего режима, высокую линейность и возможность самостоятельно устанавливать выходное напряжение общего режима (например, с использованием штифта Vref). Они обычно используются в таких приложениях, как высокоскоростное получение данных (≥1 MSPS), программно-определяемое радио и высокопроизводительное аудио. Ключевые спецификации для рассмотрения при выборе FDA включают шум входного напряжения, искажение (THD) и возможность качения выходного сигнала. Популярные модели включают THS4551, AD8132 и LTC6362.

Преимущества дифференциальных схем усилителя в системах DAQ

Интеграция дифференциальных усилительных цепей в цепочку сбора данных обеспечивает ряд количественных и качественных улучшений:

• Превосходный шумовой отказ: Отменив помехи в обычном режиме, дифференциальные усилители резко уменьшают воздействие шума 50/60 Гц, моторного шума и радиочастотного пикапа. Это особенно ценно в промышленных условиях с тяжелой техникой или длинными кабельными пробегами.
• Повышение точности сигнала: Возможность извлечения истинного дифференциального сигнала из высоких напряжений общего режима позволяет датчикам, таким как термопары и тензодатчики, производить полезные выходы без необходимости использования высокодоходных одноконечных стадий, которые усиливали бы шум.
• Улучшенный динамический диапазон: Поскольку компоненты обычного режима отклоняются, усилитель может работать в более широком диапазоне напряжений без обрезки, эффективно увеличивая пригодный для использования динамический диапазон системы.
• Устранение наземного контура: Дифференциальная сигнализация по своей сути разрывает наземные петли, которые возникают, когда основания датчиков отличаются от земли DAQ. Это имеет решающее значение в многоточечных системах измерения и приложениях дистанционного зондирования.
• Повышенная надежность системы: При уменьшении шума и повышении точности измерения более повторяемы, что приводит к улучшению управления процессом, меньшему количеству ложных тревог и большей уверенности в данных.
• Упрощенные кабели: Витые парные кабели для дифференциальных сигналов менее подвержены помехам, чем коаксиальные кабели, снижая затраты на установку и повышая надежность.

Вызовы и методы смягчения

Несмотря на свои преимущества, дифференциальные усилители создают несколько проблем проектирования, которые необходимо решить для достижения оптимальной производительности.

Резисторное несоответствие и деградация CMRR

Наибольшее практическое ограничение в дискретных дифференциальных усилителях — несоответствие внешних резисторов. 1% несоответствие может уменьшить CMRR до 40—50 дБ. Решения включают использование прецизионных резисторов, обрезку резисторов лазерными или ручными потенциометрами или использование интегрированных измерительных усилителей, где критические резисторы лазерно обрезаны на кристалле. Для крупнообъемных конструкций использование четырехрезисторов с ±0,01% соответствием является экономически эффективным.

Вводимые переменные Current и Offset

Оп-амперы требуют небольшого входного тока смещения, который течет через импеданс источника, создавая офсетные напряжения. Для источников высокого давления даже токи смещения наноампера могут вызывать ошибки милливольта. Использование FET-входных оп-амперов (например, OPA140, ADA4000) с токами смещения в диапазоне пикоампера смягчает эту проблему. Для биполярных оп-ампер баланс входного импеданса, наблюдаемого обоими входами, уменьшает ошибки смещения. Кроме того, следует учитывать дрейф напряжения смещения с температурой; авто-нулевые оп-ампы доступны для стабильности субмикровольта.

Высокочастотный CMRR Roll-off

На высоких частотах (выше нескольких кГц) CMRR большинства усилителей ухудшается из-за паразитных емкостей и снижения усиления в открытом цикле. Для поддержания CMRR на более высоких частотах необходима тщательная компоновка ПХД — минимизация длины следов, использование защитных колец и избегание емкостной связи между входами. Некоторые FDA включают интегрированную обратную связь в общем режиме, которая помогает поддерживать CMRR до нескольких МГц.

Потребление энергии и тепловое управление

Высокопроизводительные операционные усилители часто потребляют значительный похолодание. В многоканальных системах DAQ это может сложиться, требуя радиаторов или принудительного охлаждения воздуха. Выбор усилителей малой мощности (< 1 мА на канал) для устройств с батарейным питанием имеет решающее значение, но компромиссы в шуме и пропускной способности должны быть приняты.

Пример практического применения: измерение датчика моста

Рассмотрим типичное приложение нагрузочной ячейки с использованием резистивного тензометрического моста. Выход моста представляет собой дифференциальное напряжение порядка милливольт, наложенное на напряжение общего режима, которое составляет половину напряжения возбуждения (например, 2,5 В для возбуждения 5 В). Дифференциальный усилитель с коэффициентом усиления 100 и CMRR > 100 дБ может извлекать сигнал при отклонении шума источника питания и других помех общего режима. Выбранный усилитель приборов (например, INA118) обеспечивает необходимое входное импеданс, усиление и CMRR. Его выход затем подается в 24-битный дельта-сигма ADC (например, ADS1256) с дифференциальными входами. Вся цепь сигналов достигает разрешения лучше, чем 1 часть на 10 000, подходит для точного взвешивания приложений. Внимание к компоновке ПХБ - например, разделение аналогового и цифрового оснований, экранирование и использование наземной плоскости - еще больше повышает производительность.

Заключение

Разработка схем дифференциального усилителя является основополагающим навыком для инженеров, проектирующих системы сбора данных высокой степени целостности. Тщательно выбирая соответствующую топологию - будь то усилитель приборов с одним усилителем, трехопорным усилителем или полностью дифференциальный усилитель - и устраняя конструктивные соображения, такие как импеданс ввода, пропускная способность, шум и CMRR, можно достичь надежной производительности измерения даже в электрически шумных средах. В то время как такие задачи, как сопоставление резисторов и высокочастотный запуск CMRR, требуют тщательности, современные интегрированные компоненты и методы компоновки предлагают эффективные решения. В конечном счете, инвестиции в надлежащее дифференциальное кондиционирование сигналов выплачивает дивиденды в качестве данных, надежности системы и точности измерения. Для дальнейшего чтения примечания приложений от [FLT: 1] и [FLT: 2] Texas Instruments [[FLT: 3]] обеспечивают глубокое руководство, в то время как [FLT: 4]] исследования на цепях приобретения с низким уровнем шума предлагает понимание передовых методов.