Практический подход к пониманию и использованию приборных усилителей

Усилитель приборов (иногда сокращенно как in-amp или InAmp) является прецизионным дифференциальным усилителем, который был оснащен входными буферными усилителями, предназначенными специально для усиления небольших дифференциальных сигналов при отказе от больших напряжений общего режима. Эти специализированные электронные устройства стали незаменимыми в современных системах измерения, приложениях датчиков, медицинских приборах и промышленных системах управления, где точность, стабильность и помехозащищенность имеют первостепенное значение.

В отличие от стандартных операционных усилителей, приборные усилители имеют очень низкое смещение постоянного тока, низкий дрейф, низкий уровень шума, очень высокий коэффициент отклонения в открытом цикле, очень высокое отношение отказов в обычном режиме и очень высокие входные импедансы. Эти характеристики делают их уникальными для приложений, требующих точного кондиционирования сигнала в электрически шумных средах. Это всеобъемлющее руководство исследует фундаментальные принципы, архитектуру, спецификации, практические приложения и стратегии реализации для приборных усилителей.

Понимание основ приборных усилителей

Что делает приборы разными

Усилитель приборов — дифференциальный усилитель, оптимизированный для высокого входного импеданса и высокого CMRR. Ключевое различие между усилителями приборов и стандартными операционными усилителями заключается в их специализированной конструкции для приложений измерения.В то время как операционные усилители являются устройствами общего назначения, способными выполнять различные функции обработки сигналов, усилители приборов специально созданы для одной конкретной задачи: точно усиливать разницу между двумя входными сигналами при отбрасывании любого напряжения, общего для обоих входов.

Применяются приборные усилители, где требуется большая точность и стабильность цепи как краткосрочной, так и долгосрочной, что делает их важными компонентами в системах точного измерения, где даже минутные изменения сигнала должны быть захвачены без искажений или помех от источников шума окружающей среды.

Архитектура трех опорных усилителей

Хотя измерительный усилитель обычно показан схематически идентичным стандартному операционному усилителю (op-amp), электронный измерительный усилитель почти всегда внутренне состоит из 3 операционных усилителей. Эта конфигурация с тремя операционными усилителями представляет собой наиболее распространенную и широко используемую топологию для измерительных усилителей.

Они расположены так, что имеется один операционный усилитель для буферизации каждого входа (+, −), и один для получения желаемого выхода с адекватным соответствием импеданса для функции.Первая ступень состоит из двух неинвертирующих усилителей, которые обеспечивают высокое входное импеданс и начальный коэффициент усиления, в то время как вторая ступень представляет собой прецизионный разностный усилитель, который дополнительно обрабатывает сигнал и обеспечивает конечный выход в один конец.

Прелесть этой конфигурации с тремя операционными усилителями заключается в том, что двойная стадия ввода буферизирует входные импедансы от конечного дифференциального усилителя, уменьшающего шум. Эта архитектура предлагает несколько критических преимуществ по сравнению с более простыми конфигурациями дифференциального усилителя, включая превосходное отторжение в обычном режиме, более высокое входное импеданс и более гибкое управление усилением.

Как работают приборные усилители

Принцип работы приборного усилителя основан на дифференциальном усилении сигнала.Когда два входных сигнала подаются на усилитель, устройство усиливает только разность напряжений между ними, подавляя при этом любое напряжение, которое появляется одинаково на обоих входах. Это напряжение общего режима может включать в себя электрический шум, разность потенциалов земли или помехи от близлежащего оборудования.

Дифференциальный сигнал затем усиливается буферами, в то время как любой сигнал напряжения общего режима, который появляется одинаково на выходе этих двух операционных усилителей, значительно ослабляется. Остается только усиленный дифференциальный входной сигнал (V2 - V1). Этот фундаментальный принцип работы позволяет измерительным усилителям извлекать небольшие сигналы из шумных сред, где нежелательное напряжение общего режима может быть на порядки больше, чем желаемый дифференциальный сигнал.

Ключевые характеристики и характеристики производительности

Отношение отказа в обычном режиме (CMRR)

Общее отношение отклонения режима (CMRR) дифференциального усилителя (или другого устройства) представляет собой метрику, используемую для количественной оценки способности устройства отклонять сигналы общего режима, т.е. те, которые появляются одновременно и в фазе на обоих входах. CMRR представляет, возможно, наиболее критическую спецификацию для усилителей приборов, поскольку она непосредственно определяет способность усилителя извлекать малые дифференциальные сигналы в присутствии больших напряжений общего режима.

CMRR определяется как отношение мощности дифференциального усиления к коэффициенту усиления в общем режиме, измеренному в положительных децибелах. Более высокие значения CMRR указывают на лучшую производительность, при этом типичные усилители приборов достигают значений CMRR в диапазоне от 80 дБ до более 130 дБ. Усилители однокристальных приборов обычно имеют лазерные резисторы для достижения CMRR свыше 100 дБ, иногда даже 130 дБ.

Высокий CMRR требуется, когда дифференциальный сигнал должен быть усилен в присутствии возможно большого входа в общий режим, такого как сильные электромагнитные помехи (EMI). В практических применениях это означает, что усилитель приборов с CMRR 100 дБ может отклонять сигналы общего режима, которые в 100 000 раз больше измеряемого дифференциального сигнала.

Импеданс входа

Входное импедансное усилитель является еще одной важной спецификацией, которая отличает приборные усилители от других типов усилителей. Поскольку оба входа применяются к неинвертирующим терминалам операционных усилителей, входное импеданс высокое. Это высокое входное импедансное сопротивление, как правило, в диапазоне от сотен мегам до тераомов, гарантирует, что усилитель не загружает вниз источник сигнала.

Трехопорный усилитель в усилителе обеспечивает очень высокие импедансы на входах. Следовательно, эквивалентное напряжение Тевенина моста появляется на входе усилителя, не ослабляясь делителями напряжения. Поскольку сопротивление источника не появляется в уравнении усиления, у нас есть более предсказуемый прирост и более высокая точность. Эта характеристика делает измерительные усилители идеальными для взаимодействия с датчиками высокого давления, такими как тензодатчики, термопары и биомедицинские электроды.

Получить конфигурацию и контроль

Напряжение усилителя приборов определяется в первую очередь одним внешним резистором, часто называемым «резистором Гейна» (RG), связанным между двумя входными буферными операционными усилителями.Этот упрощенный механизм управления усилением представляет собой значительное практическое преимущество перед традиционными дифференциальными усилителями.

Преимущество этой схемы заключается в том, что один резистор, который не должен быть сопоставлен с любым другим резистором в цепи, определяет коэффициент усиления. Это позволяет нам легче регулировать коэффициент усиления для типичного трехоперационного усилителя приборов, позволяет точно регулировать коэффициент усиления, просто изменяя значение одного внешнего резистора, не требуя согласованных пар резисторов или сложных процедур калибровки.

Резистор с задачей усиления (RG) может быть выбран для выбора значения усиления в рабочей области устройства (обычно от 1 до 1000). Этот широкий диапазон усиления делает усилители приборов достаточно универсальными для обработки сигналов в диапазоне от микровольт до вольт, вмещающих различные типы датчиков и требования к измерениям.

Шумовое исполнение

Шумовые характеристики имеют решающее значение в приложениях прецизионных измерений, где малые сигналы должны усиливаться без ухудшения. Шумовые характеристики в первую очередь определяются входной стадией. Использование малошумных операционных усилителей (op-amps) с высоким коэффициентом отторжения в общем режиме (CMRR) снижает дифференциальный шум.

Современные приборные усилители достигают удивительно низких уровней шума, с входными значениями плотности шумового напряжения до 1-10 нВ/Гц. Этот нижний уровень шума гарантирует, что сам усилитель не маскирует и не повреждает измеряемые небольшие сигналы, что особенно важно в таких приложениях, как биомедицинское получение сигнала, системы точного взвешивания и измерения датчиков низкого уровня.

Смещение напряжения и дрейфа

Напряжение выключения представляет собой выходное напряжение, присутствующее при одинаковом потенциале обоих входов. Нажатие низкого постоянного тока: гарантирует, что усилитель не вводит нежелательное напряжение постоянного тока на выходе, что имеет решающее значение для точных измерений сигнала низкого уровня. Высокопроизводительные приборные усилители имеют смещенные напряжения в диапазоне микровольт, сводя к минимуму ошибки измерения.

Низкий дрейф: относится к минимальному изменению производительности усилителя из-за изменения температуры или времени, обеспечивая надежное и последовательное усиление сигнала в прецизионных приложениях.Дрифт температуры, обычно задаваемый в микровольтах на градус Цельсия, становится особенно важным в приложениях, где температура окружающей среды изменяется или где требуется долгосрочная стабильность.

Усилители приборов для интегральных схем

Преимущества монолитной интеграции

Усилители приборов могут быть построены с индивидуальными операционными усилителями и прецизионными резисторами, но также доступны в интегральных схемах от нескольких производителей (включая Texas Instruments, Analog Devices и Renesas Electronics).Усилители приборов монолитного типа предлагают несколько неоспоримых преимуществ по сравнению с дискретными реализациями.

Усилитель приборов ИС обычно содержит близко подобранные лазерные резисторы и, следовательно, предлагает превосходный отказ в обычном режиме. Точный резистор, соответствующий достижимым процессам производства интегральных схем, намного превышает то, что может быть экономически достигнуто с дискретными компонентами, что приводит к превосходной производительности CMRR и точности получения.

Внутренние резисторы тесно связаны, с допусками, которые возможны только с обрезанным полупроводниковым процессом резистора, чтобы обеспечить очень высокое отношение отклонения общего режима (CMRR). Этот уровень соответствия в сочетании с тепловым отслеживанием компонентов на одном кремниевом кристалле обеспечивает стабильную производительность при колебаниях температуры.

Альтернативные архитектуры

В то время как доминирует конфигурация с тремя операционными усилителями, существуют альтернативные архитектуры для конкретных применений. Усилители приборов также могут быть разработаны с использованием «архитектуры обратной связи с непрямым током», которая расширяет рабочий диапазон этих усилителей до рельсов с отрицательным источником питания, а в некоторых случаях и рельсов с положительным источником питания. Это может быть особенно полезно в системах с одним источником питания, где отрицательный рельс питания является просто заземлением цепи (GND).

Подход ICF также обеспечивает высокую CMRR даже на высоких частотах. Эта конфигурация имеет более широкий диапазон входного напряжения общего режима и не требует резисторов с обрезкой на кристалле. Это снижает дрейф усиления температурного коэффициента и снижает общую стоимость системы. Архитектура обратной связи с косвенным током предлагает преимущества в приложениях, требующих работы рельс-рельс или улучшенной производительности AC CMRR.

Практическое применение приборных усилителей

Медицинское и биомедицинское оборудование

Медицинские приборы: Усилители ЭКГ и ЭЭГ требуют высокой КМРР для отбрасывания помех. Биомедицинское получение сигнала представляет собой одно из самых требовательных применений для усилителей приборов. Сигналы электрокардиограммы (ЭКГ), электроэнцефалограммы (ЭЭГ) и электромиограммы (ЭМГ) чрезвычайно малы, как правило, в диапазоне от микровольта до милливольта, и должны измеряться в присутствии значительных электрических помех от линий электропередач, мышечной активности и других источников.

Высокое входное импедансное усилители приборов особенно важно в биомедицинских приложениях, поскольку оно минимизирует нагрузку на электроды высокого давления, используемые для восприятия биопотенциальных сигналов.Отличная CMRR гарантирует, что помехи в обычном режиме, такие как шум линии электропередач 50/60 Гц, которые одинаково появляются на всех электродах, эффективно отклоняются, в то время как небольшие дифференциальные биоэлектрические сигналы точно усиливаются.

Применение промышленных датчиков

Промышленные датчики: Штамповочные датчики и мостовые усилители получают выгоду от точного дифференциального усиления. Измерения манометров Штамм, датчики давления, нагрузочные ячейки и другие преобразователи на основе моста производят небольшие выходы дифференциального напряжения, которые требуют точного усиления.

Это делает его пригодным для взаимодействия с резистивными мостовыми сетями, такими как мост Уитстона, подключенный к преобразователям. Высокое входное сопротивление усилителей приборов предотвращает загрузку мостовой цепи, что в противном случае ввело бы ошибки измерения. Возможность отбраковывать напряжения общего режима обеспечивает точные измерения даже тогда, когда мост работает при повышенных потенциалах общего режима или в электрически шумных промышленных средах.

Измерительные усилители в основном используются для усиления гораздо меньших дифференциальных сигналов от тензометров, термопар, пьезоэлектрических устройств.Эти датчики часто выдают выходные сигналы в диапазоне милливольт или микровольт, требующие существенного усиления перед аналого-цифровым преобразованием или дальнейшей обработкой сигнала.

Системы приобретения данных

Приобретение данных: буферизация с высоким коэффициентом нагрузки минимизирует воздействие нагрузки на выходы датчиков. В многоканальных системах сбора данных усилители приборов служат критическим интерфейсом переднего края между датчиками и аналого-цифровыми преобразователями (АЦП). Они обеспечивают необходимый прирост для соответствия уровней выходных данных датчиков диапазонам входных данных АЦП при сохранении целостности сигнала.

Высокое входное сопротивление гарантирует, что несколько датчиков могут быть подключены без взаимных помех или эффектов нагрузки. Отличная CMRR позволяет проводить точные измерения даже тогда, когда датчики расположены на разных наземных потенциалах или когда длинные кабельные прогоны вводят шум общего режима. Это делает приборные усилители важными компонентами в промышленном контроле процесса, мониторинге окружающей среды, а также испытательном и измерительном оборудовании.

Усиление термопары

Термопары генерируют чрезвычайно малые сигналы напряжения, обычно десятки микровольт на градус Цельсия, что затрудняет их точное измерение. Усилители приборов обеспечивают высокий коэффициент усиления и низкий уровень шума, необходимый для усиления этих небольших сигналов, при этом отклоняя помехи в обычном режиме, которые могут быть подобраны вдоль проводов термопар.

Высокое входное сопротивление усилителей приборов особенно полезно в приложениях термопар, поскольку оно минимизирует ошибки из-за сопротивления термопарной проволоки.Современные усилители приборов часто включают функции, специально предназначенные для приложений термопары, такие как компенсация холодного соединения и возможности линеаризации.

Точные системы взвешивания

Нагрузочные элементы, используемые в системах точного взвешивания, используют мостики тензодатчиков, которые производят небольшие изменения дифференциального напряжения, пропорциональные приложенному весу. Эти сигналы обычно варьируются от нескольких милливольт в полном масштабе, требуя точного усиления без введения ошибок смещения или дрейфа, которые поставят под угрозу точность взвешивания.

Усилители приборов обеспечивают стабильное, низкое усиление сжатия, необходимое для точного взвешивания. Возможность программировать усиление с помощью одного резистора позволяет легко калибровать различные чувствительности нагрузочных ячеек и диапазоны измерений. Отличная долгосрочная стабильность обеспечивает согласованную точность взвешивания с течением времени и колебаниями температуры.

Проектные соображения и руководящие принципы осуществления

Настройка прибыли и расчет

Правильный выбор коэффициента усиления имеет основополагающее значение для конструкции усилителя приборов. Прирост должен быть достаточным для усиления ожидаемого входного сигнала до уровня, подходящего для последующих стадий обработки, обычно соответствующего диапазону входа аналого-цифрового преобразователя. Однако избыточный коэффициент усиления может привести к насыщению выходного сигнала или уменьшению динамического диапазона.

Для большинства трехопорных усилителей приборов уравнение усиления связывает общее усиление напряжения с значениями резистора установки усиления и внутренних резисторов. Производители обычно предоставляют уравнения усиления и таблицы в своих таблицах данных, позволяя разработчикам выбирать соответствующее значение резистора усиления для желаемого усиления. Некоторые усилители приборов предлагают пин-программируемый или цифровой программируемый коэффициент усиления, обеспечивающий гибкость для приложений, требующих настройки множественного усиления.

Рассмотрение вопроса о энергоснабжении

Выбор источника питания значительно влияет на производительность усилителя приборов. Многие современные усилители приборов могут работать от одиночных источников питания до 2,7 В или двойных источников питания в диапазоне от ± 2,5 В до ± 18 В. Напряжение питания определяет доступный входной диапазон общего режима и выходной качели.

Он также совместим с одним источником питания (с использованием штифта VREF). Для приложений с одним источником питания эталонный штифт позволяет компенсировать выход до середины подачи, максимизируя доступные колебания выходного сигнала. Правильное соединение источника питания с керамическими конденсаторами, расположенными близко к штифтам питания, имеет важное значение для оптимальной шумопроизводительности и стабильности.

Диапазон ввода Common-Mode

Одно из ограничений включения трехопорного усилителя заключается в том, что диапазон входного общего режима может быть ограничен, если мы попытаемся достичь очень высокого дифференциального усиления на этапе ввода.Вводное напряжение общего режима должно оставаться в заданных пределах для обеспечения линейной работы и поддержания производительности CMRR.

Вводный диапазон общего режима (ICMR) классического трехопорного ИА ограничен диапазоном выходного напряжения внутренних операционных усилителей, в результате чего диапазон выходного напряжения ограничивается входным напряжением общего режима. Конструкторы должны проверить, что ожидаемое входное напряжение общего режима, включая любые изменения смещения постоянного тока и переменного тока, остается в пределах указанного диапазона во всех рабочих условиях.

Выбор резистора и сопоставление

При создании дискретных приборных усилителей или нарастании коэффициента усиления с помощью внешних резисторов выбор резисторов значительно влияет на производительность. Используемые резисторы должны быть высокоточными (0,1% допуск или лучше) для достижения максимально возможной CMRR. Для высокоточных применений предпочтительны резисторы металлической пленки с низкими температурными коэффициентами.

Для того чтобы установить коэффициент усиления Vref на уровне 1 В/В и избежать ухудшения CMRR измерительного усилителя, коэффициенты R4/R3 и R2/R1 должны быть равными. На стадии усилителя разности выходов соответствие коэффициента резистора имеет решающее значение для поддержания высокого CMRR. Даже небольшие несоответствия могут значительно ухудшить производительность отторжения в обычном режиме.

Высокая точность усиления может быть достигнута за счет использования прецизионных резисторов металлической пленки для всех сопротивлений. Для критических применений резисторы с согласованными температурными коэффициентами должны использоваться для минимизации дрейфа усиления по температуре. Некоторые конструкторы используют сети резисторов, где на одной подложке изготовлено несколько резисторов, обеспечивающих отличное соответствие и тепловое отслеживание.

PCB Layout Лучшие практики

Правильная компоновка печатной платы (PCB) имеет решающее значение для реализации полного потенциала производительности усилителей приборов. Дифференциальные входные следы должны быть маршрутизированы симметрично и сохраняться как можно короче, чтобы минимизировать паразитные емкости и различия индуктивности, которые могут ухудшать CMRR на более высоких частотах.

Следы защиты: Сведение к минимуму токов утечки в высокоимпедансных цепях. Кольца защиты или следы защиты, приводимые в движение с тем же потенциалом, что и входные сигналы, могут уменьшить токи утечки и улучшить производительность в приложениях с высоким давлением. Эти защитные механизмы должны окружать входные следы с высоким давлением и приводиться в действие источником низкого давления с соответствующим потенциалом.

Конструкция наземного самолета требует тщательного внимания. Твердый наземный самолет обеспечивает обратные пути с низким сопротивлением и уменьшает шумовое соединение. Однако наземный самолет не должен распространяться под входными следами высокого давления, где он может вводить нежелательную емкость. Отдельные аналоговые и цифровые наземные самолеты, подключенные в одной точке, помогают предотвратить цифровое шумоподавление от соединения в чувствительные аналоговые схемы.

Уменьшение шума и шума

Активное щитование: Уменьшить емкостную связь в шумных средах. В приложениях, связанных с длительными пробегами кабеля или работой в электрически шумных средах, необходимо правильное экранирование. Витые пары кабелей с щитами, подключенными к соответствующему эталонному потенциалу, помогают отклонять помехи в общем режиме.

Это означает, что если для соединения преобразователя с дифференциальными входами усилителя используется пара витых проводов, то любой индуцированный шум будет одинаково загрязнять каждый провод и будет отклоняться общей пропускной способностью усилителя в режиме отбраковки.Использование кабелей с витыми парами гарантирует, что электромагнитные помехи одинаково влияют на оба проводника, преобразуя его в шум общего режима, который может отклонить усилитель приборов.

Для приложений, требующих максимального помехозащищенности, могут применяться приводные щиты или защитные приводы. В этом методе кабельный щит приводится в действие сигналом, равным напряжению общего режима, а не подключенным к земле. Это минимизирует ток через емкость щита, уменьшая преобразование общего режима в дифференциальный режим, что может ухудшить точность измерения.

Вводимые изменения Текущая компенсация

Токи смещения входа, хотя обычно очень малы в усилителях приборов, могут вызывать ошибки смещения при прохождении через импедансы источника. Обеспечение пути возврата постоянного тока для входных токов смещения имеет важное значение, особенно в приложениях, связанных с переменным током, или при взаимодействии с источниками высокого давления.

Для входов, соединенных переменным током, резисторы для заземления или опорного напряжения обеспечивают необходимый путь постоянного тока. Значения резистора должны быть выбраны для балансировки тока смещения на обоих входах, будучи достаточно большими, чтобы не загружать существенно источник сигнала. Некоторые усилители приборов включают внутренние пути возврата тока смещения, упрощая конструкцию внешней схемы.

Расширенные темы и методы оптимизации

Пропускная способность и частотный отклик

Полоса пропускания усилителя приборов определяется как входной, так и выходной ступенями. Доминирующий полюс обычно устанавливается входной ступенью, с частотой -3dB, задаваемой: Где GBW является продуктом пропускной способности входной ступени операционных усилителей и G — общий выигрыш. Понимание взаимосвязи между усилением и пропускной способностью имеет решающее значение для приложений, требующих специфических характеристик частотного отклика.

По мере увеличения коэффициента усиления полоса пропускания обычно уменьшается из-за ограничения пропускной способности продукта на выходе из строя операционных усилителей, используемых в измерительном усилителе. Для широкополосных применений может потребоваться выбор измерительного усилителя с изделием с высокой пропускной способностью или распределение коэффициента усиления между измерительным усилителем и последующими этапами.

Хотя он обеспечивает высокую CMRR при DC (через близкое соответствие резисторов на чипе), архитектура обратной связи может существенно ухудшать AC CMRR. Кроме того, поскольку паразитные емкости не могут быть точно подобраны, CMRR начинает уменьшаться на более высоких частотах. Это частотно-зависимое разрушение CMRR должно рассматриваться в приложениях, связанных с сигналами переменного тока или высокочастотным шумом.

Защита от перегрузок

Защита входов усилителя приборов от перенапряжения важна во многих приложениях, особенно при взаимодействии с датчиками, которые могут испытывать неисправности или при работе в суровых промышленных условиях. Схемы защиты входов должны быть тщательно разработаны, чтобы избежать ухудшения самих характеристик, которые делают усилители приборов ценными.

Серийные резисторы в сочетании с зажимными диодами к рельсам питания обеспечивают базовую защиту от перенапряжения.Однако резисторы серии вводят шум и могут создавать ошибки смещения из-за смещения тока.Схема защиты должна уравновешивать необходимость защиты от входного сопротивления от потенциального ухудшения входного импеданса, шумопроизводительности и смещения напряжения.

Некоторые усилители приборов включают в себя внутреннюю схему защиты от входа, упрощающую внешнюю конструкцию.При необходимости внешней защиты необходим тщательный выбор компонентов защиты и учет их влияния на целостность сигнала.

Справочная конфигурация напряжения

Большинство усилителей приборов включают в себя входное напряжение, которое устанавливает выходное напряжение, когда дифференциальный вход равен нулю. Этот входный вход обеспечивает гибкость для смещения уровня и позволяет оптимально расположить выход в пределах доступного диапазона выходных данных.

Указательный входной импеданс варьируется в зависимости от различных конструкций усилителя приборов. Некоторые устройства имеют высокое импеданс на исходном входе, что позволяет управлять им с помощью простого резистора-делителя. Другие требуют источника отсчета низкого давления, что требует отсылки на буферный усилитель или точное напряжение. С таблицей данных следует ознакомиться для определения соответствующего источника отсчета для конкретного устройства.

В приложениях с одним источником питания опорное напряжение обычно устанавливается на среднюю точку, чтобы максимизировать доступное выходное колебание для биполярных сигналов. Для приложений с двойным источником часто ссылка связана с землей, в результате чего биполярный выход центрируется при нулевых вольтах.

Калибровка и обрезка

Даже с точными приборными усилителями некоторые приложения могут потребовать калибровки для достижения максимальной точности.Офсетное напряжение, ошибка усиления и CMRR могут быть обрезаны для повышения производительности за пределами первоначальных спецификаций устройства.

Обрезка заднего хода может быть выполнена путем впрыска небольшого корректирующего напряжения на входном отсчете или путем регулировки баланса входной ступени. Обрезка заднего хода обычно включает в себя регулировку резистора, устанавливающего коэффициент усиления, или добавление небольшого резистора последовательно или параллельно с ним. Обрезка CMRR, при необходимости, обычно требует регулировки соотношений резисторов на стадии усилителя разности выходных данных.

Современные системы часто используют цифровые методы калибровки, где ошибки смещения и усиления измеряются и корректируются в программном обеспечении после аналого-цифрового преобразования. Такой подход устраняет необходимость ручной обрезки и может компенсировать изменения температуры посредством периодической перекалибровки.

Температурные соображения

Изменение температуры влияет на производительность усилителя приборов через несколько механизмов. Дрифт напряжения с замыканием, дрейф усиления и деградация CMRR варьируются в зависимости от температуры. Понимание этих температурных зависимостей имеет решающее значение для приложений, работающих в широких температурных диапазонах.

Смещение напряжения, обычно задаваемое в микровольтах на градус Цельсия, приводит к смещению выходного напряжения при изменении температуры, даже когда вход остается постоянным. Этот дрейф можно минимизировать, выбрав приборные усилители с низкими температурными коэффициентами и применяя методы компенсации температуры, когда это необходимо.

Дрифт усиления является результатом зависящих от температуры изменений значений резисторов и характеристик усилителя. Использование резисторов с соответствующими температурными коэффициентами и выбор усилителей приборов с низким коэффициентом усиления помогает минимизировать этот эффект. Для критических применений датчики температуры и компенсация программного обеспечения могут дополнительно уменьшить ошибки, вызванные температурой.

Устранение общих проблем

Неожиданное напряжение Offset

Чрезмерное напряжение смещения на выходе при сжатии входов может быть результатом нескольких причин. Ток смещения входа, протекающий через дисбалансы импеданса источника, создает смещенные напряжения. Обеспечение сбалансированных импедансов источника или добавление резисторов компенсации может решить эту проблему.

Термоэлектрические напряжения, генерируемые на разнородных металлических переходах в сигнальном пути, также могут способствовать ошибкам смещения, особенно в низкоуровневых приложениях измерения.Использование изотермических терминальных блоков, минимизация количества различных металлов в сигнальном пути и обеспечение теплового равновесия помогают уменьшить термоэлектрические эффекты.

Наземные петли, в которых несколько наземных соединений создают циркулирующие токи, могут вводить офсетные напряжения и шум. Реализация правильного одноточечного заземления и использование дифференциальной сигнализации по всей цепи измерений минимизирует эффекты наземного петли.

Колебания и нестабильность

Усилители приборов могут становиться нестабильными и колебаться при определенных условиях. Емкостная нагрузка на выходе является общей причиной нестабильности. Добавление небольшого последовательного резистора (обычно 50-100 Ом) между выходом усилителя и емкостными нагрузками помогает поддерживать стабильность, изолируя выходную стадию от емкостной нагрузки.

Неадекватное отсоединение источника питания может позволить высокочастотные колебания. Размещение керамических конденсаторов (обычно 0,1 мкФ) как можно ближе к штифтам питания обеспечивает необходимое высокочастотное обходное устройство. Дополнительная объемная емкость (10-100 мкФ) дальше от устройства обрабатывает колебания источника питания более низкой частоты.

Обратная связь через паразитарную емкость или индуктивность в компоновке ПХБ может вызвать нестабильность. Тщательная компоновка с короткими прямыми следами и правильным заземлением минимизирует эти паразитные эффекты. Сохранение входных следов высокого давления от выхода и поддержание симметрии в дифференциальных входных путях помогает предотвратить нежелательную обратную связь.

Плохая производительность CMRR

При измерении CMRR не соответствует спецификациям таблицы данных, за это может отвечать несколько факторов. Несоответствие резистора на стадии усилителя разности выходов является основной причиной деградации CMRR. Проверка того, что коэффициенты резисторов точно совпадают, и использование прецизионных резисторов с жесткими допусками решает эту проблему.

Несбалансированные импедансы источника могут ухудшать CMRR, преобразуя сигналы общего режима в дифференциальные сигналы. Обеспечение того, чтобы оба входа видели одно и то же импеданс источника, включая любые резисторы защиты серии или компоненты фильтра, поддерживает производительность CMRR.

На более высоких частотах паразитные емкости и индуктивности в сигнальном пути могут вызывать деградацию CMRR. Симметричная маршрутизация дифференциальных входных следов, минимизация длины следов и избежание дисбаланса емкостей помогают поддерживать CMRR на более высоких частотах.

Чрезмерный шум

Когда выходной шум превышает ожидания, идентификация источника шума является первым шагом к разрешению. Входной шум от самого усилителя приборов устанавливает фундаментальный шумовой пол. Выбор устройств с более низкими шумовыми характеристиками или уменьшением пропускной способности через фильтрацию может улучшить отношение сигнал-шум.

Резисторный шум, особенно от высококачественных резисторов на пути сигнала, способствует общему системному шуму. Использование более низких значений сопротивления, где это возможно, или выбор типов резисторов с низким уровнем шума уменьшает этот вклад. Значение резистора с задачей усиления влияет на производительность шума, при этом более низкие значения обычно производят меньше шума.

Внешняя шумоподавка через неадекватные экранирующие или плохие методы заземления часто доминирует в практических системах. Внедрение надлежащей защиты, использование витых парных кабелей для дифференциальных сигналов и обеспечение чистых, низкоимпедансных наземных соединений значительно снижает внешний шумопоглощение.

Примеры практического осуществления

Усилитель моста Train Gauge

Усилитель моста с тензометром демонстрирует классическое применение усилителя приборов. Конфигурация моста Уитстона производит небольшое дифференциальное напряжение, пропорциональное напряжению, обычно несколько милливольт в полном масштабе. Мост работает при повышенном напряжении общего режима, обычно половине напряжения возбуждения.

Усилитель приборов должен обеспечивать достаточный коэффициент усиления для усиления выходного сигнала моста в соответствии с диапазоном входного сигнала ADC при сохранении высокого входного сопротивления во избежание загрузки моста. Для тензодатчиков характерен коэффициент усиления 100-1000. Ссылочный сигнал может использоваться для компенсации выходного сигнала для учета дисбаланса моста или для оптимального позиционирования выходного сигнала в диапазоне ADC.

Низкочастотная фильтрация на выходе приборного усилителя устраняет высокочастотный шум перед оцифровкой. Частота отсечки фильтра должна выбираться исходя из требований полосы пропускания измерения при обеспечении адекватного шумоподавления. Для статических или медленно меняющихся измерений частота отсечки 10-100 Гц является обычным явлением.

ЭКГ Front-End Design

Приобретение электрокардиограммы (ЭКГ) представляет уникальные проблемы, которые хорошо подходят для решения. Сигналы ЭКГ варьируются от примерно 0,5 до 4 мВ по амплитуде и содержат частотные компоненты от 0,05 до 150 Гц. Эти небольшие сигналы должны измеряться при наличии гораздо больших помех в общем режиме от линий электропередач и других источников.

Усилитель приборов обеспечивает высокую CMRR, необходимую для отбрасывания помех общего режима при усилении дифференциального сигнала ЭКГ. Прирост 500-1000 доводит сигнал ЭКГ до уровня, подходящего для аналого-цифрового преобразования. Высокое входное импеданс минимизирует нагрузку на интерфейс электрод-кожа, который может иметь импедансы в диапазоне от нескольких килохм до нескольких мегахм.

Защита от входов имеет решающее значение в медицинских приложениях для защиты как пациента, так и электроники. Серийные резисторы и зажимные диоды ограничивают ток и напряжение во время неисправностей или дефибрилляции. Схема привода правой ноги, которая активно отменяет помехи в обычном режиме, еще больше улучшает шумоотторжение в приложениях ЭКГ.

Система измерения термопар

Системы термопарного измерения требуют тщательной конструкции для достижения точных температурных измерений. Термопары генерируют примерно 40-60 микровольт на градус Цельсия в зависимости от типа термопары. Эти небольшие сигналы требуют высокого усиления и низкого шума для точного измерения.

Усилитель приборов обеспечивает необходимый прирост при сохранении высокого входного импеданса для минимизации ошибок от сопротивления термопарной проволоки. Типичным является прирост 100-500, доведение сигнала термопары до уровня, подходящего для оцифровки. Фильтрация нижних частот устраняет высокочастотный шум при сохранении относительно медленных колебаний температуры.

Компенсация холодного соединения учитывает температуру в точке, где провода термопары соединяются с измерительной системой. Это может быть реализовано с помощью датчика точной температуры и соответствующего кондиционирования сигнала. Некоторые современные усилители приборов включают интегрированную компенсацию холодного соединения, упрощая общую конструкцию.

Текущее сенсорное приложение

Чувство тока с помощью шунтирующего резистора представляет собой еще одно общее применение приборного усилителя. Небольшой резистор последовательно с нагрузкой развивает напряжение, пропорциональное току. Это напряжение, как правило, в диапазоне милливольта, должно быть усилено при отклонении напряжения общего режима, которое может присутствовать по всему шунту.

Высокое CMRR приборного усилителя позволяет точно измерять ток даже тогда, когда шунтирующий резистор не находится в наземном потенциале. Это позволяет определять ток с высокой стороны, где шунт размещен между источником питания и нагрузкой. Напряжение в обычном режиме в этой конфигурации может быть довольно высоким, потенциально приближаясь к напряжению питания.

Специализированные усилители тока, которые по существу являются инструментальными усилителями, оптимизированными для этого приложения, предлагают расширенные диапазоны напряжения общего режима и другие функции, адаптированные к датчику тока. Эти устройства упрощают датчик тока с высокой стороны в таких приложениях, как мониторинг батареи, управление двигателем и управление мощностью.

Критерии отбора и сравнения

Ключевые параметры для выбора

Выбор соответствующего усилителя приборов для конкретного применения требует оценки нескольких параметров. Требования CMRR зависят от соотношения сигналов общего режима к сигналам дифференциального режима, ожидаемым в приложении. Приложения с большими напряжениями общего режима относительно дифференциального сигнала требуют более высоких спецификаций CMRR.

Требования к входному импедансу зависят от импеданса источника измеряемого датчика или сигнала. Для источников высокого давления, таких как пьезоэлектрические датчики или мосты с высокой устойчивостью, требуются приборные усилители с очень высоким входным импедансом, чтобы избежать эффектов нагрузки и ошибок измерения.

Шумовая производительность становится критической в низкоуровневых сигнальных приложениях. Шум, на который ссылается усилитель приборов, должен быть значительно ниже, чем измеряемый сигнал, чтобы поддерживать адекватное отношение сигнал-шум. Требования к пропускной способности определяют минимальный необходимый продукт с выходной полосой, особенно для приложений, включающих сигналы переменного тока или быстрые переходные процессы.

Ограничения напряжения питания могут быть наложены общей конструкцией системы. Приложения с питанием от батареи часто требуют работы с низким напряжением, в то время как промышленные приложения могут использовать стандартные ±15 В. Требуемый входной диапазон общего режима и выходной качели должны быть достижимы в пределах доступного напряжения питания.

Стоимость vs. Выгоды от реализации

Усилители приборов охватывают широкий диапазон уровней производительности и затрат. Устройства общего назначения предлагают хорошую производительность при умеренной стоимости, пригодные для многих промышленных и измерительных применений. Они обычно обеспечивают CMRR 80-100 дБ, входные импедансы сотен мегам и уровни шума 10-50 нВ/Гц.

Усилители прецизионных приборов обеспечивают превосходные технические характеристики при более высокой стоимости. Эти устройства имеют CMRR, превышающий 120 дБ, входные импедансы в тераохмальном диапазоне и уровни шума ниже 10 нВ/Гц. Они подходят для требовательных применений, таких как медицинское оборудование, точный взвешивание и научные измерения, где требуется максимальная точность.

Для чувствительных к затратам приложений с менее строгими требованиями создание дискретного усилителя приборов из отдельных операционных усилителей и прецизионных резисторов может быть экономичным, однако этот подход требует тщательного выбора компонентов и согласования для достижения приемлемой производительности и может быть нерентабельным при рассмотрении затрат на сборку и тестирование.

Интегрированная vs. дискретная реализация

Монолитические ИА ИС легко доступны и часто предпочтительнее, чем строить один из отдельных операционных усилителей, так как внутренние компоненты будут хорошо согласованы. Эти ИА могут иметь CMRR более 100 дБ и увеличение напряжения до 10 000 ×. Превосходный компонент, соответствующий достижимым в интегральных схемах, приводит к лучшей CMRR и более стабильной производительности по сравнению с дискретными реализациями.

Дискретные реализации обеспечивают гибкость в настройке эксплуатационных характеристик и могут быть необходимы, когда конкретные требования не могут быть удовлетворены доступными интегрированными устройствами.Однако достижение высокой CMRR с дискретными компонентами требует тщательного выбора и сопоставления резисторов, увеличения стоимости и сложности.

Для прототипирования или малообъемных приложений дискретные реализации позволяют экспериментировать с различными конфигурациями и значениями компонентов.Для производственных конструкций интегрированные усилители приборов обычно обеспечивают лучшую производительность, меньший размер и меньшую общую стоимость при сборке и тестировании.

Будущие тенденции и новые технологии

Цифровое улучшение и умные усилители

Современные приборные усилители все чаще включают в себя цифровые функции, которые улучшают функциональность и упрощают проектирование системы. Цифрово программируемый выигрыш позволяет программно управлять усилением без внешних компонентов, позволяя адаптивное кондиционирование сигналов и многодиапазонные измерения из одного аппаратного дизайна.

Интегрированные аналого-цифровые преобразователи объединяют усилитель приборов и АЦП в единый пакет, уменьшая количество компонентов и упрощая конструкцию.Эти интегрированные решения часто включают в себя цифровые фильтрующие, калибровочные и коммуникационные интерфейсы, создавая полные подсистемы кондиционирования сигналов.

Возможности самокалибровки позволяют приборным усилителям автоматически компенсировать офсет, набирать ошибки и дрейфовать без внешнего вмешательства. Это повышает точность и снижает требования к испытаниям продукции, особенно ценные в приложениях большого объема.

Низкоэнергетические и энергосберегающие приложения

Распространение беспроводных сенсорных сетей и устройств Интернета вещей (IoT) стимулирует спрос на приборные усилители сверхнизкой мощности. Современные устройства достигают полумикроамперных покоящих токов при сохранении хорошей шумопроизводительности, что позволяет работать от батареи в течение многих лет или даже десятилетий.

Приложения, использующие энергосбережение, где энергия отбирается из источников окружающей среды, таких как вибрация, свет или тепловые градиенты, требуют приборных усилителей, которые могут работать от очень низких напряжений питания и минимального тока. Специализированные устройства, предназначенные для этих приложений, балансируют производительность против потребления энергии, чтобы максимизировать срок службы батареи или обеспечить бесбатареевую работу.

Передовые архитектуры

Продолжают появляться новые приборные усилители, устраняющие ограничения традиционных конструкций. Усилители приборов, стабилизированные на вертолете, достигают чрезвычайно низкого смещения напряжения и дрейфа, модулируя входной сигнал, усиливая его, а затем демодулируя выход. Этот метод практически устраняет ошибки постоянного тока, позволяя проводить точные измерения без периодической калибровки.

Усилители автоматического обнуления используют методы коммутируемого конденсатора для непрерывного отбора проб и устранения ошибок смещения. Эти устройства сочетают преимущества стабилизации вертолета с более широкой полосой пропускания, подходящей для приложений, требующих как низкого смещения, так и быстрого реагирования.

Усилители приборов текущего режима обрабатывают сигналы как токи, а не напряжения, предлагая преимущества в определенных приложениях. Эти устройства могут достигать очень широкого динамического диапазона и могут быть менее чувствительными к изменениям напряжения питания, чем традиционные конструкции напряжений-режимов.

Всесторонние рекомендации по использованию

Дизайн питания

Правильная конструкция источника питания имеет основополагающее значение для достижения оптимальной производительности усилителя приборов. Напряжения питания должны быть чистыми и стабильными, с низким уровнем шума и минимальной ряби. Линейные регуляторы обычно обеспечивают более чистую мощность, чем регуляторы переключения, хотя современные регуляторы переключения с соответствующей фильтрацией также могут обеспечить приемлемую производительность.

Конденсаторы для разъединения должны располагаться как можно ближе к усилителям мощности приборов. Комбинация керамических конденсаторов для высокочастотного обхода (обычно 0,1 мкФ) и электролитических или танталовых конденсаторов для хранения энергии навалом (10-100 мкФ) обеспечивает эффективное разъединение в широком диапазоне частот.

Для приложений с двойным подачей как положительные, так и отрицательные подачи требуют равного внимания к разъединению и регулированию. Симметрия напряжения подачи влияет на напряжение смещения и CMRR, поэтому поддержание сбалансированных напряжений питания улучшает производительность. Некоторые приложения получают выгоду от отдельных аналоговых и цифровых источников питания, чтобы предотвратить коммутацию цифрового шума от соединения в чувствительные аналоговые схемы.

Стратегия заземления

Стратегия заземления существенно влияет на производительность усилителя приборов, особенно в системах с несколькими платами или подсистемами. Одноточечное заземление, где все наземные соединения в конечном итоге связываются в одном месте, минимизирует наземные петли и связанные с ними шумы и ошибки смещения.

Звездное заземление, вариант одноточечного заземления, направляет отдельные следы от каждой секции цепи к центральной точке заземления. Это предотвращает высокие токи в одной секции от создания падения напряжения в грунтовых путях, общих с чувствительными цепями. Усилитель приборов и связанная с ним схема ввода должны иметь выделенные следы от земли до точки звезды.

В системах смешанного сигнала, содержащих как аналоговые, так и цифровые схемы, разделение аналоговых и цифровых наземных плоскостей и соединение их в одной точке предотвращает прохождение цифровых токов переключения по аналоговым наземным путям.Точка соединения должна выбираться тщательно, как правило, вблизи источника питания или на аналого-цифровом преобразователе.

Ввод сигнала кондиционирования

Кондиционирование входного сигнала готовит сигналы датчика для оптимальной работы усилителя приборов. Фильтрация нижних частот на входе удаляет высокочастотный шум, который может затрагивать полосу пропускания измерения или вызывать проблемы электромагнитных помех (EMI). Частота отсечки фильтра должна выбираться на основе полосы пропускания сигнала, обеспечивая при этом адекватное затухание нежелательных высокочастотных компонентов.

Для приложений, связанных с переменным током, конденсаторы ввода блокируют компоненты постоянного тока при пропускании сигналов переменного тока. Значения конденсатора связи должны быть достаточно большими, чтобы поддерживать адекватный низкочастотный отклик при обеспечении блокировки постоянного тока. Пути возврата тока смещения ввода должны быть обеспечены при использовании соединения переменного тока, как правило, через резисторы к земле или опорному напряжению.

Фильтрация электромагнитных помех (ЭМИ) может быть необходима в промышленных условиях или при длительных прогонах кабеля. Удушья в обычном режиме, которые представляют высокий импеданс сигналам в обычном режиме при прохождении дифференциальных сигналов, эффективно уменьшают проводимые ЭМИ. Ферритовые шарики на входных линиях обеспечивают дополнительную высокочастотную фильтрацию.

Обработка сигналов выходного сигнала

Вывод сигнала обрабатывает условия вывода усилителя приборов для последующих стадий, таких как аналого-цифровые преобразователи или записывающее оборудование. Противосъемные фильтры препятствуют обратному сворачиванию высокочастотного шума в полосу измерения при оцифровке. Фильтр должен иметь частоту отсечения ниже половины скорости отбора проб при достаточном затухании в полосе остановки.

Буферные усилители могут быть необходимы при движении длинных кабелей или нагрузок с низким сопротивлением. В то время как измерительные усилители обычно имеют низкое выходное сопротивление, добавление буфера предотвращает эффекты загрузки, которые могут привести к ошибкам или нестабильности. Буферы с единым набором мощности с выходом рельса на рельсы обеспечивают сохранение полного диапазона выходного сигнала усилителя приборов.

Для согласования диапазона входных данных последующих схем может потребоваться сдвиг уровней. Это может быть достигнуто с использованием эталонного входа усилителя приборов или через внешние схемы суммирования. Для систем с одним подачей, взаимодействующих с биполярными сигналами, смещение уровней к середине подачи максимизирует динамический диапазон.

Испытания и проверка

Тщательное тестирование проверяет соответствие схемы усилителя приборов требованиям к производительности. Испытание напряжения с закороченными входами выявляет ошибки постоянного тока, которые могут повлиять на точность измерения. Измеренное смещение следует сравнивать со спецификациями, учитывающими вклады усилителя приборов, токи смещения входа и термоэлектрические эффекты.

Для проверки линейности необходимо проверить несколько уровней входного сигнала в ожидаемом диапазоне, а также определить допустимые пределы погрешности на выходе в полном диапазоне входного сигнала и рабочей температуре.

Испытание CMRR применяет напряжение общего режима к обоим входам при мониторинге выхода для прорыва сигнала общего режима. Испытание должно проводиться на частотах постоянного тока и на соответствующих частотах переменного тока, поскольку CMRR обычно ухудшается на более высоких частотах. Измеренная CMRR должна соответствовать или превышать минимальный уровень, необходимый для применения.

Испытание шума характеризует уровень шума в системе и отношение сигнал/шум. При закорочении или прекращении входов в ожидаемом импедансе источника шум на выходе измеряется по полосе пропускания сигнала. Измеренный шум должен соответствовать расчетам, основанным на спецификациях усилителя приборов и вкладах внешних компонентов.

Ресурсы и дальнейшее обучение

Для инженеров, стремящихся углубить свое понимание усилителей приборов, доступны многочисленные ресурсы. Примечания к приложениям производителя предоставляют подробные руководства по проектированию, рабочие примеры и советы по устранению неполадок, характерные для их продуктов. Такие компании, как Аналоговые устройства , Texas Instruments и другие производители полупроводников поддерживают обширные библиотеки технической документации.

Отраслевые стандарты и справочные тексты предлагают всеобъемлющий охват теории и приложений усилителей приборов. Профессиональные организации, такие как IEEE, публикуют статьи о передовых архитектурах и приложениях усилителей приборов. Онлайн-сообщества и форумы предоставляют платформы для обсуждения практических задач внедрения и обмена опытом проектирования.

Инструменты моделирования позволяют виртуальное прототипирование и проверку производительности перед конструкцией оборудования. Симуляторы на основе SPICE с точными моделями усилителей приборов позволяют проектировщикам оценивать производительность схемы, оптимизировать значения компонентов и выявлять потенциальные проблемы. Многие производители предоставляют модели SPICE для своих продуктов усилителей приборов.

Эти платы позволяют проводить практические эксперименты с различными конфигурациями и условиями эксплуатации, помогая дизайнерам понять практические соображения, которые могут быть не очевидны только из информационных бюллетеней.

Заключение

Усилители приборов представляют собой существенные строительные блоки в современных измерительных и сенсорных системах.Уникальное сочетание высокого входного импеданса, отличного отторжения в обычном режиме, низкого шума и точного управления усилением делает их незаменимыми для приложений, требующих точного усиления малых дифференциальных сигналов при наличии больших напряжений в обычном режиме.

Понимание фундаментальных принципов, ключевых спецификаций и соображений практической реализации позволяет инженерам эффективно применять приборные усилители в различных приложениях, начиная от медицинского приборостроения до управления промышленным процессом.Правильное внимание к проектированию источника питания, заземлению, экранированию и выбору компонентов гарантирует, что реализован полный потенциал производительности этих точных устройств.

По мере развития технологии усилители приборов развиваются, чтобы соответствовать новым требованиям к более низкому энергопотреблению, более высокой интеграции и улучшенной функциональности. Независимо от того, реализуется ли простой интерфейс датчика или сложная многоканальная система сбора данных, усилители приборов обеспечивают прецизионное кондиционирование сигналов, необходимое для точных, надежных измерений в сложных условиях.

Следуя рекомендациям и передовым практикам, изложенным в этом всеобъемлющем руководстве, дизайнеры могут успешно внедрить схемы усилителей приборов, которые отвечают их конкретным требованиям применения, избегая при этом общих ошибок и достигая оптимальной производительности.