Применение операционных усилителей в приборостроении: стратегии проектирования и примеры из реального мира

Введение в операционные усилители в системах приборостроения

Оперативные усилители (op-amps) представляют собой один из самых универсальных и важных строительных блоков в современных системах приборостроения. Эти интегральные схемы служат основой для кондиционирования сигналов, усиления, фильтрации и обработки в бесчисленных приложениях, начиная от медицинской диагностики до промышленной автоматизации. Понимание фундаментальных принципов и передовых стратегий проектирования для реализации операционных усилителей в контекстах приборостроения имеет решающее значение для инженеров, разрабатывающих точные, надежные и высокопроизводительные измерительные устройства.

Уникальные характеристики операционного усилителя, включая чрезвычайно высокий коэффициент усиления с открытым контуром, высокое входное сопротивление, низкое выходное сопротивление и широкую полосу пропускания, делают его идеально подходящим для приложений точного измерения. При настройке с соответствующими сетями обратной связи операционные усилители могут выполнять замечательное разнообразие функций, включая усиление напряжения, преобразование тока в напряжение, активную фильтрацию, буферизацию сигналов и математические операции, такие как сложение, вычитание, интеграция и дифференциация.

В приборостроении операционные усилители часто должны обрабатывать чрезвычайно малые сигналы при наличии шума и помех. Способность извлекать значимую информацию из слабых выходов датчиков при отказе от шума в обычном режиме и поддержании целостности сигнала по всей цепочке измерений представляет собой фундаментальную проблему, которую решает правильная схема операционного усилителя. Это всеобъемлющее руководство исследует теоретические основы, практические стратегии проектирования и реальные применения операционных усилителей в системах приборостроения.

Основные характеристики Op-Amps для приборостроения

Высокое импедансное значение и низкое значение биасного тока

Одним из наиболее критичных параметров для приборостроения является входное импедансное сопротивление. Высокое входное импедансное сопротивление гарантирует, что оп-ампер не загружает вниз источник сигнала, что особенно важно при измерении сигналов от датчиков высокого давления, таких как pH-электроды, пьезоэлектрические преобразователи или биомедицинские электроды. Современные оп-ампы достигают входных импедансов в диапазоне от мегом до тераомов, в зависимости от используемой технологии входной стадии.

JFET-входные операционные усилители обеспечивают входной ток смещения менее 1 pA, что делает их отличным выбором для приложений, где даже минимальный ток от источника вызовет ошибки измерения. Это особенно актуально в биомедицинских приборах, где входной ток смещения фронтальных усилителей может поляризовать электрод, если есть плохой контакт кожи.

Open-Loop Gain и Bandwidth

Типичный операционный усилитель мог бы иметь коэффициент усиления напряжения 200 000, обеспечивая основу для точных конфигураций замкнутого цикла. Однако этот высокий коэффициент усиления имеет ограничения полосы пропускания из-за ограничения пропускной способности продукта, присущего конструкции операционного усилителя. Понимание этого компромисса имеет важное значение для выбора соответствующих устройств для конкретных диапазонов частот.

Внутренняя архитектура операционных усилителей обычно состоит из трёх основных этапов. Входной этап представляет собой дифференциальный усилитель, обеспечивающий дифференциальные входы и частотную реакцию вплоть до постоянного тока. Второй этап представляет собой усилитель высокого напряжения, выполненный из нескольких транзисторов для обеспечения высокого усиления, причём большая часть этого усиления поступает от этапа усилителя напряжения. Наконец, выходной усилитель обеспечивает низкое выходное сопротивление, позволяя операционному усилителю эффективно управлять различными нагрузками.

Отношение отказа в обычном режиме (CMRR)

Отношение отторжения в общем режиме представляет способность усилителя отклонять сигналы, которые появляются одинаково на обоих входах при усилении дифференциального сигнала. Этот параметр абсолютно важен в приборостроении, где датчики могут располагаться вдали от измерительной электроники, улавливая электромагнитные помехи и различия потенциалов земли по пути.

Если бы в некоторых приложениях использовалась стандартная схема усилителя усилителя усилителя, она просто усиливала бы как напряжение сигнала, так и любое напряжение диска, шума или других напряжений общего режима, и в результате сигнал оставался бы скрытым под смещением диска и шумом. Это ограничение приводит к необходимости в специализированных конфигурациях усилителя приборов, которые достигают превосходной производительности CMRR.

Основные конфигурации Op-Amp для приборов

Неинвертируемая конфигурация усилителя

Конфигурация неинвертирующего усилителя является одной из наиболее часто используемых топологий в приборостроении благодаря высокому входному импедансу.В этой конфигурации входной сигнал подается на неинвертирующий входной терминал, при этом сеть обратной связи, состоящая из двух резисторов, определяет усиление замкнутого цикла. Выходное напряжение находится в фазе с входом, а усиление определяется соотношением резисторов обратной связи плюс один.

Эта конфигурация особенно ценна при взаимодействии с датчиками высокого давления, поскольку представляет минимальную нагрузку на источник.Концепция виртуального заземления гарантирует, что инвертирующий вход следует за напряжением на неинвертирующем входе, создавая стабильную рабочую точку, которая зависит только от внешних значений резистора, а не от внутренних параметров операционного усилителя.

Инвертирующая конфигурация усилителя

Конфигурация инвертирующего усилителя обеспечивает точное управление коэффициентом усиления и отличные характеристики частотного отклика.Хотя она имеет более низкое импеданс ввода, чем неинвертирующая конфигурация, благодаря входному резистору, подключенному к виртуальному узлу заземления, она предлагает преимущества в некоторых приложениях, включая более легкую реализацию суммирующих усилителей и возможность достижения коэффициентов усиления меньше единицы.

Инвертирующая конфигурация часто предпочтительнее в активных конструкциях фильтров и приложениях обработки сигналов, где необходимо объединить несколько сигналов.Виртуальная заземление на инвертируемом входе упрощает анализ схемы и обеспечивает предсказуемую производительность в широком диапазоне условий работы.

Напряжение последователя (буфер) конфигурация

Последователь напряжения или буфер усиления единства представляет собой особый случай неинвертирующего усилителя, где выход соединен непосредственно с инвертирующим входом. Эта конфигурация обеспечивает усиление единства с чрезвычайно высоким входным импедансом и очень низким выходным импедансом, что делает его идеальным для импедансного преобразования и применения буферизации сигнала.

Буферы необходимы в системах приборостроения для изоляции источников высокого давления от последующих схем, предотвращая эффекты нагрузки, которые в противном случае искажали бы измеренный сигнал. Они также служат для привода длинных кабелей или нескольких нагрузок без ухудшения сигнала.

Дифференциальные усилители и схемы субтракторов

Базовый дифференциальный усилитель

Простейшей формой приборного усилителя является разностный усилитель, оп-ампер с четырьмя прецизионными резисторами. Эта конфигурация усиливает разницу между двумя входными сигналами при идеальном отклонении любого напряжения общего режима, присутствующего на обоих входах. Производительность этой схемы критически зависит от соответствия соотношений резисторов.

Для оптимального отторжения в обычном режиме необходимо точно сопоставить соотношения резисторов. Даже небольшие несоответствия в значениях резисторов могут значительно ухудшить производительность CMRR. Высокая точность усиления может быть достигнута за счет использования прецизионных резисторов металлической пленки для всех сопротивлений, обеспечивая стабильную и повторяемую производительность по температуре и времени.

Ограничения простых дифференциальных усилителей

В то время как основной дифференциальный усилитель обеспечивает полезную функциональность, он страдает от нескольких ограничений в приложениях прецизионных приборов. Входное сопротивление ограничено входными резисторами, которые могут загружать источники высокого давления. Кроме того, изменение усиления требует изменения значений нескольких резисторов при сохранении точных соотношений, что непрактично во многих приложениях.

Значительные недостатки дифференциальных усилителей включают очень низкий входной импеданс из-за входных резисторов и очень низкий CMRR из-за высокого общего усиления режима. Эти ограничения мотивировали разработку более сложных архитектур усилителей приборов.

Архитектура и дизайн усилителя приборов

Три усилителя приборов Op-Amp

Наиболее часто используемые приборные усилители состоят из трёх операционных усилителей, где к каждому входу дифференциального усилителя подключён неинвертирующий усилитель, обеспечивающий высокое входное сопротивление для точного измерения входных данных от преобразователей.Эта классическая топология стала стандартной архитектурой для прецизионных дифференциальных измерений.

Конфигурация трех операционных усилителей состоит из двух отдельных этапов. Оп-усилители, обозначенные A1 и A2, являются неинвертирующими усилителями, которые вместе образуют входную стадию, в то время как оп-усилитель A3 является разностным усилителем, который образует выходную стадию. Эта компоновка сочетает в себе преимущества высокого входного импеданса от буферных стадий с отличным отказом общего режима от дифференциальной выходной стадии.

Эта конфигурация имеет явные преимущества владения чрезвычайно высокими входными импедансами на входах, поскольку они соединяются прямо с неинвертирующими входами своих соответствующих операционных усилителей, и регулируемый коэффициент усиления, который может быть установлен одним резистором. Эта однорезисторная регулировка коэффициента усиления представляет собой основное практическое преимущество перед простыми дифференциальными усилителями.

Контроль и корректировка прибыли

Напряжение усилителя приборов определяется главным образом одним внешним резистором, часто называемым резистором усиления (RG), соединенным между двумя входными буферными операционными усилителями, и это упрощенное управление усилением имеет значительное преимущество перед стандартным буферным дифференциальным усилителем. Эта конструкция позволяет легко регулировать усиление без ущерба для баланса цепи или производительности CMRR.

Соотношение между резистором усиления и общим усилением следует за четко определенным математическим отношением. Наименьший возможный выигрыш с схемой получается при полностью открытом резисторе усиления (бесконечное сопротивление), и это значение усиления составляет 1. Это обеспечивает широкий диапазон регулировки усиления от единицы до нескольких тысяч, в зависимости от выбранного значения резистора.

Два варианта усилителя приборов Op-Amp

Хотя три конфигурации операционных усилителей остаются наиболее популярными, две конструкции усилителей приборов с операционными усилителями предлагают преимущества в некоторых приложениях, особенно для работы с одним источником питания и чувствительных к затратам конструкций. Эти конфигурации жертвуют некоторыми эксплуатационными характеристиками в обмен на снижение количества компонентов и энергопотребления.

Две конструкции операционных усилителей обычно более тесно интегрируют функции буферизации входа и дифференциального усиления, используя умные топологии схем для поддержания разумной CMRR при одновременном сокращении количества активных компонентов. Эти конструкции особенно ценны в портативных и управляемых батареей приборах, где минимизация энергопотребления имеет решающее значение.

Active Filter Design с поддержкой Op-Amps

Конфигурации фильтров с низкими пропусками

Активные фильтры нижних частот с использованием операционных усилителей обеспечивают кондиционирование сигнала путем ослабления высокочастотного шума и помех при прохождении желаемых низкочастотных сигналов.Эти фильтры предлагают преимущества перед пассивными конструкциями, включая усиление, отсутствие потери вставки и способность достигать сложных функций передачи без использования индукторов.

Фильтр Баттерворта, использующий топологию Sallen-Key, позволяет фильтру усиливать сигнал при подавлении высокочастотных компонентов, с частотой отсечения 49,4 Гц на затухающих частотах выше этой частоты, эффективно подавляя электромагнитные помехи (ЭМИ) от электроэнергетической системы на 60 Гц. Это демонстрирует практическое применение активных фильтров при отторжении помех линии электропередач в биомедицинских приборах.

Фильтр с низким пропуском Sallen-Key, использующий схему усилителя усилителя операционного усилителя с низким общим гармоническим искажением (THD), гарантирует, что фазовый ответ остается линейным в полосе пропускания, а для ЭЭГ, где фазовая информация имеет решающее значение для локализации источника, характеристика фильтра Бесселя часто выбирается по сравнению с Баттервортом, чтобы минимизировать искажение групповой задержки, с полосой пропускания, строго ограниченной физиологическим диапазоном, значительно снижающим общую интегрированную мощность шума.

Конфигурации фильтров высокого пропуска

Фильтры с высоким пропуском удаляют смещение постоянного тока и низкочастотный дрейф из измерительных сигналов, что особенно важно в системах приборов, связанных с переменным током. Эти фильтры предотвращают насыщение усилителя из-за потенциалов смещения электродов и базового блуждания в биомедицинских сигналах.

Частота отсечения фильтров с высоким пропуском должна быть тщательно подобрана для удаления нежелательных компонентов постоянного тока при сохранении компонентов с наименьшей частотой, представляющих интерес для измеренного сигнала.В приложениях ЭКГ, например, отсечение с высоким пропуском обычно устанавливается около 0,05 Гц для сохранения информации ST-сегмента при удалении базового дрейфа.

Дизайн фильтра Band-Pass

Фильтры полосового пропуска объединяют характеристики высокого и низкого пропуска для выбора конкретного диапазона частот, представляющих интерес, при этом отклоняя как низкочастотный дрейф, так и высокочастотный шум. Эти фильтры необходимы в приложениях, где интересующий сигнал занимает четко определенную полосу частот.

Используя коммерчески доступные прецизионные компоненты, можно реализовать полосу пропускания 0,38-44 Гц (± 5%), подходящую для большинства приложений ЭКГ и ЭЭГ. Это демонстрирует, как активная конструкция фильтра адаптирует частотную реакцию к конкретным требованиям различных биомедицинских сигналов.

Реализация Notch Filter

Выемочные фильтры, также называемые полосоотбрасывающими или полосоостановочными фильтрами, ослабляют узкочастотную полосу при прохождении всех других частот.Наиболее распространенным применением в приборостроении является отбрасывание помех линии электропередачи на частотах 50 Гц или 60 Гц в зависимости от географического региона.

Активные фильтры выемки с использованием операционных усилителей могут достигать очень высокого затухания на частоте выемки с минимальным воздействием на смежные частоты. Коэффициент качества (Q) выемки определяет, насколько узка полоса отторжения, при этом более высокие значения Q обеспечивают более избирательную фильтрацию, но также и большую чувствительность к допускам компонентов.

Шумовые соображения в приборных схемах Op-Amp

Понимание источников шума

Шум в цепях операционных усилителей происходит из нескольких источников, включая тепловой шум в резисторах, шум выстрела в полупроводниковых соединениях и шум мерцания (1/f шум) в активных устройствах. Понимание этих шумовых механизмов имеет важное значение для проектирования низкошумных измерительных систем, способных измерять сигналы на уровне микровольта.

Тепловой шум возникает в результате движения несущей и выглядит как белый шум, в то время как мерцающий шум (1/f) доминирует на низких частотах и вызван улавливанием заряда в MOSFET, при этом шум выстрела является незначительным в конструкциях CMOS. Каждый источник шума требует различных стратегий смягчения в процессе проектирования схемы.

Вводимая шумовая и шумовая плотность

Назначенный входной шум представляет собой эквивалентное помеховое напряжение или ток на входе усилителя, который будет производить наблюдаемый выходной шум. Эта метрика позволяет проводить справедливое сравнение между различными конструкциями усилителя и помогает прогнозировать отношение сигнал-шум, достижимое в данной заявке.

Низкошумные операционные усилители, специально предназначенные для применения в биомедицинских приборах, таких как ЭКГ и получение сигнала ЭЭГ, могут достигать входного шума примерно 9,5 нВ / ГГц при 1 кГц, прироста в открытом цикле 84 дБ, продукта с пропускной способностью 1,2 МГц и потреблять только 87 мкВт мощности от источника 1,8 В.

Методы оптимизации шума

Достижение превосходной шумопроизводительности без использования сложных методов, таких как стабилизация вертолета или автоматическое обнуление, возможно, сосредоточившись на оптимизации на уровне транзистора, правильном смещении и выборе топологии, чтобы минимизировать как тепловой, так и мерцающий шум, что приводит к простой, но эффективной конструкции усилителя.

Практические стратегии снижения шума включают в себя выбор устройств с низким уровнем шума, подходящих для интересующего диапазона частот, минимизацию значений резисторов в критических сигнальных путях для снижения теплового шума, использование надлежащих методов заземления и экранирования и реализацию соответствующей фильтрации для ограничения полосы шума только тем, что необходимо для применения.

Влияние импульса на шум

Импеданс источника взаимодействует с шумом входного тока операционного усилителя для создания дополнительного шума напряжения на входе.Этот эффект становится особенно значительным с источниками высокого давления, где даже токи смещения входного тока пикоампера могут генерировать напряжения шума на уровне микровольта.

Ток смещения входа (Ib), проходящий через сопротивление источника усилителя, генерирует дополнительное напряжение смещения, которое должно быть добавлено к ошибкам ввода, и источники сигнала высокого импеданса могут вызвать серьезные проблемы смещения с биполярными транзисторными входными инструментальными усилителями, поэтому в этих приложениях рекомендуется использовать усилители FET-входа с низким уклоном, чтобы минимизировать ошибки с очень высоким сопротивлением источника.

Применение медицинских приборов

Электрокардиография (ЭКГ) Обработка сигналов

Системы электрокардиографии (ЭКГ) измеряют сердечную активность с течением времени путем измерения электрических потенциалов на поверхности живой ткани, с нервными стимулами и мышечными сокращениями, обнаруженными путем измерения потока ионного тока в организме с использованием биопотенциального электрода. Сигнал ЭКГ представляет уникальные проблемы для конструкции усилителя из-за его небольшой амплитуды и наличия больших смещений постоянного тока.

В случае ЭКГ дифференциальное напряжение на груди человека (сердечный сигнал) обычно составляет 1,8 мВ при амплитудной езде на смещение dc до 300 мВ, а величина смещение dc по сравнению с сердечным сигналом ограничивает количество усиления, применяемого к передним усилителям. Это требует тщательной конструкции усилителя с соответствующим отторжением постоянного тока и высоким CMRR.

Дизайнеры часто используют большие рельсы ±7,5 В для обработки тяжелой среды, в которой должно работать устройство ЭКГ, например операционные, где ЭКГ фронтальная схема будет видеть мешающие сигналы, такие как абляция, электрическая штриховка, дефибрилляция, внешняя дорожка, внутренняя дорожка, кардиостимулятор H-поле телеметрия и множество других сигналов, а некоторые усилители имеют архитектуры рельс-рельс, которые позволяют дизайнерам устанавливать более высокие коэффициенты усиления.

Электроэнцефалография (ЭЭГ) усиление

Электроэнцефалография (ЭЭГ) является распространенным диагностическим инструментом в клинической практике, который обеспечивает жизненно важное окно для наблюдения за функциональной активностью в мозге, а недавние разработки в беспроводных устройствах и сотовых телекоммуникационных сетях позволили в режиме реального времени подключать данные между устройствами ЭЭГ в удаленно расположенные больницы.

Усилитель с батарейным питанием для ЭЭГ содержит усилитель приборов, два неинвертирующих усилителя, два фильтра с высоким пропуском и фильтр с низким пропуском и способен увеличивать сигналы ЭЭГ более чем в 10 000 раз при высоком импедансе, низком шуме, малых размерах и малом весе. Этот многоступенчатый подход обеспечивает адекватный прирост при сохранении качества сигнала по всей цепи усиления.

Первое усиление сигнала ЭЭГ использует приборный усилитель INA118, который обеспечивает отличную точность, имеет высокое общее отношение отторжения режима (CMRR) и способен усиливать небольшую разницу сигнала вплоть до диапазона микровольт, причем высокий CMRR (около 110 дБ) имеет решающее значение из-за относительно высокого потенциала полусотни в электроде винта кожи.

Интересующие ЭЭГ сигналы находятся в диапазоне от 10 мкВ до 100 мкВ в диапазоне частот от 1 до 50 Гц, что требует чрезвычайно низкого уровня шума с тщательным вниманием к дизайну интерфейса электрода и отказу от обычного режима.

Электромиография (EMG) систем

Электромиография (ЭМГ) регистрирует электрическую активность, производимую скелетными мышцами, записывая различные типы мышечных сигналов от простого расслабления до сложной нейромышечной обратной связи во время реабилитации инсульта, с сигналами ЭМГ, полученными от электродов, наложенных на или рядом с мышцами, которые должны контролироваться и делегироваться на усилитель, обычно состоящий из высокопроизводительных дифференциальных усилителей.

Сигналы ЭМГ обычно имеют более высокие амплитуды, чем сигналы ЭЭГ, но все же требуют тщательной конструкции усилителя для достижения адекватного соотношения сигнал/шум. Содержание частоты сигналов ЭМГ распространяется на более высокие частоты, чем ЭКГ или ЭЭГ, требуя усилителей с соответствующими характеристиками полосы пропускания.

Общие требования к дизайну биомедицинских усилителей

Биоусилители являются гальванически изолированными, высокопроизводительными дифференциальными усилителями биологического потенциала, оптимизированными для измерения широкого спектра биологических сигналов, таких как ЭКГ / ЭКГ, ЭМГ, EOG и ЭЭГ-записи, сделанные специально для приобретения биосигналов, таких как потенциалы действия и флуктуация поверхностного напряжения, с высоким входным импедансом и общим коэффициентом отклонения режима (CMRR), поддерживающим улучшенное снижение шума по сверхвысокой полосе пропускания.

Операционные усилители имеют жизненно важное значение в биомедицинских аналоговых фронтендах, используемых для усиления слабых физиологических сигналов, таких как ЭКГ, ЭЭГ и ЭМГ, которые лежат в диапазоне от микровольта до милливольта, что делает усиление с низким уровнем шума и высокой точностью необходимым, требуя низкого входного шума для сохранения качества сигнала и низкого энергопотребления для носимых и портативных медицинских устройств.

Промышленный датчик кондиционирования сигнала

Усиление термопары

Термопары генерируют чрезвычайно малые напряжения, пропорциональные разности температур, как правило, в диапазоне микровольт на градус Цельсия. Усиление этих сигналов требует операционных усилителей с очень низким напряжением смещения, низким дрейфом и отличной шумопроизводительностью. Кроме того, необходимо реализовать компенсацию холодного перехода для обеспечения точных абсолютных измерений температуры.

Усилители приборов идеально подходят для применения в термопарах, поскольку они обеспечивают высокое входное сопротивление, устраняют влияние нагрузки на термопарный переход и превосходный отказ в обычном режиме для устранения ошибок заземления. Коррекция усиления однорезистора позволяет легко калибровать различные типы термопар с различной чувствительностью.

Усиление моста Train Gauge

Штукатурные датчики обычно сконфигурированы в конструкциях моста Уитстона, которые производят небольшие дифференциальные напряжения, пропорциональные механическому напряжению. Эти сигналы требуют точного усиления с высокой CMRR, чтобы отклонить напряжение общего режима, присутствующее на выходе моста, одновременно усиливая малый дифференциальный сигнал.

Многие промышленные и потребительские приложения требуют измерения и контроля физических условий, таких как измерения температуры и влажности внутри молочного завода, чтобы точно поддерживать качество продукта или точный контроль температуры пластиковой печи для производства определенного сорта пластика, и эти изменения в физических условиях должны быть преобразованы в электрические величины с использованием преобразователей, а затем усилены.

Усилители приборов превосходят в приложениях для усиления моста, поскольку они могут быть сконфигурированы для обеспечения необходимого усиления при сохранении напряжения возбуждения моста в безопасных пределах. Высокое входное сопротивление предотвращает загрузку моста, что в противном случае привело бы к ошибкам измерения.

Взаимодействие преобразователя давления

Преобразователи давления, особенно пьезорезистивные типы, часто используют конфигурации мостов, аналогичные тензодатчикам. Выходные сигналы обычно находятся в диапазоне милливольта для полномасштабных изменений давления, требующих точного усиления с температурной компенсацией для достижения точных измерений в широких диапазонах рабочих температур.

Схемы опагнетания для преобразователей давления должны учитывать смещение датчика, изменения чувствительности с температурой и нелинейность. Многоступенчатое усиление с соответствующей фильтрацией помогает извлекать сигнал давления при отбрасывании шума окружающей среды и помех, вызванных вибрацией.

pH усиление электрода

pH-электроды предъявляют одно из самых сложных требований к кондиционированию сигнала из-за их чрезвычайно высокого выходного импеданса, часто превышающего 100 мегам. Это требует усилителей с входными импедансами в тераохмальном диапазоне и входными токами смещения в фемтоамперовом диапазоне, чтобы избежать ошибок загрузки.

Входные операционные усилители JFET или MOSFET необходимы для применения в измерениях рН. Усилитель также должен обеспечивать температурную компенсацию, поскольку чувствительность к рН электроду изменяется в зависимости от температуры. Правильные методы защиты и защиты имеют решающее значение для предотвращения шумоподавления и токов утечки от ухудшения точности измерения.

Проектирование системы сбора данных

Аналоговая архитектура Front-End

Аналоговый интерфейс (AFE) системы сбора данных обусловливает сигналы от датчиков перед оцифровкой. Обычно это включает в себя усиление, фильтрацию и сдвиг уровня для соответствия диапазону ввода аналого-цифрового преобразователя (ADC). Оп-ампы играют центральную роль в каждой из этих функций.

Хорошо спроектированный AFE максимизирует использование динамического диапазона ADC, масштабируя сигнал датчика, чтобы занять как можно больше входного диапазона ADC, без обрезания. Это требует тщательной постановки усиления и рассмотрения крайностей сигнала, включая шум, смещение и максимальные ожидаемые уровни сигнала.

Анти-алиасинг фильтра реализация

Антисглаживающие фильтры препятствуют обратному сворачиванию высокочастотных сигналов и шума в полосу пропускания измерений в процессе отбора проб. Эти фильтры должны обеспечивать адекватное затухание на частотах выше частоты Найквиста (половина частоты отбора проб) при сохранении плоской реакции и линейной фазы в полосе пропускания.

Активные антисглаживающие фильтры с использованием операционных усилителей обеспечивают превосходную производительность по сравнению с пассивными конструкциями, обеспечивая характеристики резкого отсечения без потери вставки.Множественные сплит-фильтры Баттерворта или Бесселя обычно реализуются с использованием каскадных стадий Саллен-Кей, причем каждая стадия способствует общему отклику фильтра.

Многоуровневые каналы ввода

Многоканальные системы сбора данных часто используют аналоговые мультиплексоры для совместного использования одного ADC между несколькими входными каналами.Это требует тщательного рассмотрения времени оседания, поскольку усилитель должен осесть до конечного значения после каждого переключателя канала до начала преобразования ADC.

Усилители выборки и удержания или схемы трека и удержания с использованием операционных усилителей могут улучшить пропускную способность в мультиплексированных системах, захватывая значение сигнала и удерживая его постоянным во время преобразования ADC. Это позволяет мультиплексору переключаться на следующий канал, пока конверсия тока завершается.

Рассмотрение вопроса об одноместной поставке

Многие современные системы сбора данных работают от однократных напряжений питания для снижения энергопотребления и упрощения конструкции питания. Для этого требуются операционные усилители, способные работать в режиме рельс-рельс, чтобы максимизировать динамический диапазон в пределах ограниченного напряжения питания.

Однонаправленная работа с подачей сигнала сопряжена с такими проблемами, как ограниченный диапазон входных данных в общем режиме и необходимость надлежащего позиционирования уровней сигнала сетями с уклоном постоянного тока. Тщательная конструкция сетей связи и генерация опорного напряжения обеспечивают надлежащую работу во всем диапазоне сигналов.

Приложения для обработки звуковых сигналов

Предусилители микрофонов

Предусилители микрофона должны обеспечивать малошумное усиление малых сигналов, генерируемых элементами микрофона, при сохранении широкой полосы пропускания и низкого искажения.Различные типы микрофонов, включая динамический, конденсатор и электрет, требуют разных схем интерфейса, но все они выигрывают от предварительной амплификации на основе операционного усилителя.

Низкошумные операционные усилители с широкой полосой пропускания и низким общим гармоническим искажением необходимы для высокоточных аудиоприложений.Предусилитель также должен обеспечивать соответствующее соответствие импеданса ввода для типа микрофона и может включать фантомную выработку энергии для конденсаторных микрофонов.

Активные схемы контроля тонов

Активные схемы управления тоном с использованием операционных усилителей обеспечивают регулируемую частотную реакцию для формирования звуковых сигналов. Эти схемы предлагают преимущества перед пассивными элементами управления тоном, включая отсутствие потери вставки, возможность обеспечить как повышение, так и разрезание, а также минимальное взаимодействие между басовыми и трехместными элементами управления.

Множество топологий обратной связи и конфигураций фильтров с переменным состоянием обеспечивают сложные функции выравнивания с точным контролем за центральной частотой, полосой пропускания и коэффициентом усиления.Эти схемы находят приложения в консолях для смешивания аудио, графических эквалайзерах и параметрических эквалайзерах.

Усилители аудио распределения

Усилители распределения буферизуют аудиосигналы и приводят в действие несколько выходов без загрузки источника. Оп-ампы, сконфигурированные как буферы с единым набором или усилители с низким коэффициентом усиления, обеспечивают необходимую возможность текущего привода для подачи нескольких пунктов назначения при сохранении целостности сигнала.

Низкий выходной импеданс и способность приводить в движение емкостные нагрузки являются критическими требованиями к распределительным усилителям.Стабильность должна поддерживаться при движении длинных кабелей, которые могут представлять значительную емкостную нагрузку на высоких частотах.

Передовые методы проектирования

Компенсация за вычетом напряжения

Вводное офсетное напряжение представляет собой дифференциальное напряжение, которое должно быть применено к входам операционного усилителя, чтобы принудить выход к нулю.В то время как современные прецизионные операционные усилители имеют офсетные напряжения в диапазоне микровольт, даже эти небольшие офсеты могут быть значительными при усилении очень маленьких сигналов или использовании высокого усиления.

Методы компенсации зачета включают внешнюю обрезку с использованием потенциометров, подключенных к выделенным нулевым значкам смещения, автоматическим схемам снуливания, которые периодически измеряют и отменяют смещение, и стабилизированным на вертолете усилителям, которые модулируют сигнал, чтобы избежать низкочастотного смещения и дрейфа. Каждая техника предлагает различные компромиссы между сложностью, потреблением энергии и производительностью.

Стратегии минимизации дрейфа

Температурный дрейф смещенного напряжения и тока смещения может вызвать значительные ошибки в системах прецизионного приборостроения, работающих в широких температурных диапазонах.Выбор операционных усилителей с низкими спецификациями дрейфа является первым шагом, но методы проектирования схем могут дополнительно минимизировать эффекты дрейфа.

Соображения теплоснабжения, включая надлежащее погружение в тепло, тепловую изоляцию от теплогенерирующих компонентов и сети компенсации температуры, помогают поддерживать точность по сравнению с температурой.В критических приложениях датчики температуры и алгоритмы цифровой коррекции могут компенсировать остаточный дрейф.

Охранные и щитовые техники

Охрана включает в себя окружающие высокоимпедансные узлы цепи с приводным экраном с тем же потенциалом, что и узел, устраняя токи утечки, которые в противном случае протекали бы через сопротивление изоляции или по поверхностям печатной платы. Этот метод необходим для измерения сигналов от источников очень высокого импеданса.

Правильное экранирование защищает чувствительные цепи от электромагнитных помех.Щиты должны быть подключены к соответствующей опорной точке, обычно сигнальному грунту или напряжению общего режима, чтобы эффективно отклонять помехи без создания наземных петель или введения дополнительного шума.

Водитель правой ноги и обратная связь в обычном режиме

В биомедицинских приборах схема приводной правой ноги (DRL) активно снижает напряжение общего режима на пациенте, возвращая обратно перевернутый сигнал общего режима. Этот метод значительно улучшает отказ от обычного режима и снижает риск насыщения усилителя из-за больших напряжений общего режима.

Схема DRL чувствует напряжение общего режима на входах усилителя приборов, инвертирует и усиливает его, а затем возвращает его пациенту через высокозначный резистор. Эта отрицательная петля обратной связи активно подавляет помехи общего режима, сохраняя безопасность пациента через ограничение тока.

Практические дизайнерские соображения

Отключение электроснабжения

Правильное отсоединение источника питания необходимо для стабильной работы операционного усилителя и бесшумной работы.Разъемные конденсаторы, расположенные близко к штифтам питания операционного усилителя, обеспечивают низкоимпедансные пути для высокочастотных токов, предотвращая сцепление шума источника питания с сигнальным путем.

Обычно используется комбинация значений конденсаторов, при этом более крупные электролитические конденсаторы обеспечивают низкочастотную развязку и меньшие керамические конденсаторы, обрабатывающие высокочастотные переходные процессы.Физическое размещение и маршрутизация этих конденсаторов существенно влияет на их эффективность.

PCB Layout Лучшие практики

Раскладка печатной платы оказывает глубокое влияние на производительность высокоточных цепей операционного усилителя. Узлы высокого давления должны быть короткими и защищенными, чтобы предотвратить утечку и шумоподавление. Наземные самолеты обеспечивают обратные пути низкого давления и защиту от помех, но должны быть тщательно разделены, чтобы избежать наземных петель.

Разделение аналоговых и цифровых оснований, использование заземления звезд для чувствительных цепей и поддержание симметрии в дифференциальных сигнальных путях — все это способствует оптимальной производительности.Размещение компонентов должно минимизировать паразитную емкость и связь между секциями цепи.

Выбор компонентов и толерантность

Выбор резистора существенно влияет на производительность цепи, особенно в прецизионных приложениях.Для того чтобы минимизировать шумоподавление и избежать введения дисбаланса на входе биоусилителя, толерантность сопротивления резистора парного импеданса является критической, поэтому необходимо выбирать между низкотолерантными.

Резисторы из металлической пленки предлагают лучшие температурные коэффициенты и меньший шум, чем типы состава углерода.В критических приложениях сети резисторов с соответствующими температурными коэффициентами поддерживают точность отношения по сравнению с температурой. Выбор емкости должен учитывать диэлектрическое поглощение, температурный коэффициент и эквивалентное последовательное сопротивление в зависимости от применения.

Стабильность и компенсация

Стабильность оп-ампера зависит от поддержания адекватного фазового запаса в петле обратной связи. Емкостная нагрузка, особенно при движении длинных кабелей или нескольких входов, может уменьшить фазовый запас и вызвать колебания или звон. Компенсационные методы, включая добавление последовательного сопротивления на выходе или использование конденсаторов обратной связи, помогают поддерживать стабильность.

Некоторые операционные усилители требуют внешних компонентов компенсации для определенных конфигураций усиления, в то время как другие внутренне компенсируются стабильностью усиления единства. Понимание требований компенсации и ограничений выбранного операционного усилителя имеет важное значение для надежной работы цепи.

Новые тенденции и технологии

Интегрированные приборные усилители

Современные интегрированные приборные усилители сочетают три топологии операционных усилителей с точными лазерными резисторами в одном корпусе, предлагая превосходную производительность по сравнению с дискретными реализациями.Эти устройства обеспечивают отличную CMRR, низкое смещение и низкий дрейф с минимальными внешними компонентами.

Программируемые усилители усиления позволяют осуществлять цифровой контроль настроек усиления, упрощая многодиапазонные измерительные системы.Некоторые устройства интегрируют дополнительные функции, включая защиту входа, справочные буферы и диагностические возможности, снижая общую сложность системы.

Авто-нулевой и чоппер-стабилизированные усилители

Усилители автоматического обнуления периодически измеряют и отменяют собственное офсетное напряжение, достигая офсетных напряжений в диапазоне микровольт с минимальным дрейфом.Эти устройства чередуются между измерением офсета и усилением сигнала, используя методы коммутируемого конденсатора для хранения и вычитания офсета.

Усилители, стабилизированные на вертолете, модулируют входной сигнал на более высокую частоту, где шум 1/f пренебрежимо мал, усиливают его, а затем демодулируют обратно в DC. Этот метод практически исключает смещение и дрейф, а также уменьшает низкочастотный шум, что делает эти усилители идеальными для точных измерений постоянного тока.

Низкоэнергетические и энергосберегающие приложения

Распространение беспроводных сенсорных сетей и устройств Интернета вещей стимулирует спрос на сверхнизкоэнергетические операционные усилители, которые могут работать от источников сбора энергии. Современные маломощные операционные усилители достигают покоящихся токов наноампера при сохранении адекватной пропускной способности и шумовой производительности для многих приложений датчиков.

Методы управления питанием, включая дежурный цикл, когда усилитель питает между измерениями, продлевают срок службы батареи в портативных приборах. Тщательная конструкция гарантирует, что время пробуждения и отключения не ставят под угрозу точность измерения или пропускную способность.

Цифровая помощь и гибридные подходы

Гибридные аналого-цифровые подходы объединяют традиционные схемы операционных усилителей с цифровой обработкой сигнала для достижения уровней производительности, труднодоступных для получения с помощью чисто аналоговых методов.Цифровая калибровка может компенсировать смещение, ошибки усиления и нелинейность, в то время как адаптивная фильтрация устраняет помехи.

Микроконтроллеры с интегрированными аналоговыми интерфейсами, включая операционные усилители, ADC и цифровые преобразователи, позволяют осуществлять сложную обработку сигналов в компактных недорогих пакетах. Эти интегрированные решения упрощают проектирование системы, обеспечивая гибкость посредством конфигурации программного обеспечения.

Тестирование и характеристика

Измерение наклона смещение

Измерение входного смещения напряжения требует тщательной техники, чтобы отличить внутреннее смещение операционного усилителя от термоэлектрических напряжений, генерируемых на разнородных металлических переходах в испытательной установке, используя соединения медь-медь, минимизируя температурные градиенты и позволяя адекватное время теплового оседания повысить точность измерения.

Вводное офсетное напряжение можно измерить, настраивая операционный усилитель в качестве усилителя с высокой нагрузкой и измеряя выходное напряжение с помощью входов, сокращенных вместе. Разделение выходного напряжения на коэффициент усиления дает входное офсетное напряжение. Несколько измерений с обратными входными соединениями помогают отделить офсет от термоэлектрических эффектов.

Методы тестирования CMRR

Тестирование коэффициента отклонения в общем режиме включает в себя применение напряжения общего режима к обоим входам при измерении результирующего изменения выходного сигнала. CMRR рассчитывается как отношение напряжения общего режима к эквивалентному напряжению ошибки, на которое ссылаются входные данные. Тестирование на нескольких частотах выявляет частотную зависимость CMRR.

Практическое тестирование CMRR требует тщательного внимания к настройке измерений, чтобы избежать внесения ошибок через наземные петли или емкостную связь. Дифференциальные измерения с использованием прецизионных приборных усилителей или блокирующих усилителей повышают точность измерений, особенно для высоких значений CMRR.

Методы измерения шума

Измерения шума требуют специализированного оборудования, включая предусилители с низким уровнем шума, анализаторы спектра и экранированные испытательные среды. Шум, на который ссылаются при входе, обычно измеряется путем настройки операционного усилителя для получения высокого коэффициента усиления и анализа спектра шума на выходе, а затем деления на коэффициент усиления для получения значения, на которое ссылаются при входе.

Измерения шума должны учитывать пропускную способность измерительной системы и вклад внешних источников шума.Правильное экранирование, заземление и фильтрация обеспечивают, чтобы измеренный шум представлял собой испытываемое устройство, а не помехи окружающей среде.

Характеристика частотного отклика

Измерения частотного отклика показывают полосу пропускания, фазовый отклик и пределы стабильности цепей операционного усилителя. Сетевые анализаторы предоставляют исчерпывающие данные частотного отклика, в то время как осциллографы с генераторами функций предлагают более простые альтернативы для базовой характеристики.

Тестирование с использованием ступенчатого ответа позволяет получить представление о времени расчета, характеристиках пересчета и звона. Эти параметры имеют решающее значение для приложений, требующих быстрого расчета, таких как системы многократного сбора данных или схемы выборки и удержания.

Устранение общих проблем

Колебания и нестабильность

Колебание в цепях операционных усилителей обычно является результатом недостаточного запаса фаз из-за емкостной нагрузки, неправильной компенсации или паразитических путей обратной связи. Идентификация частоты колебаний помогает диагностировать причину - высокочастотные колебания предполагают проблемы емкостной нагрузки или компоновки, в то время как низкочастотные колебания могут указывать на неадекватную компенсацию цикла.

Решения включают в себя добавление последовательного выходного сопротивления для изоляции емкостных нагрузок, использование конденсаторов обратной связи для снижения высокочастотного усиления, улучшение разъединения источника питания и оптимизацию компоновки ПХБ для минимизации паразитной емкости и индуктивности.В некоторых случаях может потребоваться выбор другого операционного усилителя с лучшими характеристиками устойчивости.

Чрезмерный шум

Проблемы с шумом могут возникать из нескольких источников, включая сам операционный усилитель, тепловой шум резистора, шум источника питания, электромагнитные помехи и наземные петли.Систематическая устранение неполадок включает в себя изоляцию каждого потенциального источника и измерение его вклада в общий шум.

Для снижения шума требуется адресация всех значимых источников. Это может включать в себя выбор оп-амперов с более низким уровнем шума, снижение значений резистора, улучшение фильтрации источника питания, добавление экранирования, внедрение надлежащих методов заземления и ограничение пропускной способности только тем, что требуется приложению.

DC Offset и Drift проблемы

Чрезмерное смещение или дрейф постоянного тока может быть результатом напряжения смещения входного напряжения операционного усилителя, тока смещения, протекающего через импеданс источника, термоэлектрические напряжения или токи утечки. Идентификация доминирующего источника направляет выбор соответствующих корректирующих мер.

Решения включают выбор операционных усилителей с более низким смещением и дрейфом спецификаций, минимизацию импеданса источника, использование методов офсетного обнуления, реализацию температурной компенсации и использование защиты для уменьшения токов утечки.В некоторых приложениях методы AC-сцепления или автоматического обнуления полностью устраняют офсет постоянного тока.

Насыщение и клиппинг

Насыщение выходного напряжения происходит, когда сигнал превышает диапазон выходного напряжения операционного усилителя, который обычно ограничивается вольт-двумя рельсами питания для стандартных операционных усилителей. Выходные оп-ампы «железнодорожный» могут качаться ближе к источникам питания, но все еще имеют некоторое ограничение.

Предотвращение насыщения требует обеспечения того, чтобы максимально ожидаемый сигнал, включая офсет, шум и переходные сигналы, оставался в пределах выходного диапазона операционного усилителя, что может включать в себя корректировку усиления, добавление компенсации смещения, использование более высоких напряжений питания или выбор выходных операционных усилителей рельс-рельс для приложений с одним источником питания.

Примеры дизайна реального мира

Портативный дизайн монитора ЭКГ

Система записи электрокардиограммы малой мощности (ECG) со сверхвысоким входным импедансом позволяет использовать долговечные сухие электроды, включает в себя модуль Bluetooth малой мощности для беспроводной связи, использует цифровое преобразование и безопасную беспроводную связь с модулем Bluetooth, выполняющим стандарт медицинского электрооборудования EN 60601-1-2, причем вся система потребляет только 33 мА тока питания, работающего с 4,8 В источником питания, для которого требуется только 1 мА для аналоговой части, что позволяет устройству непрерывно работать более 12 часов на стандартном легком аккумуляторном аккумуляторе 4,8 В размера 2400 мАч.

Этот пример демонстрирует, как тщательное управление питанием и конструкция схемы позволяют портативные медицинские приборы с увеличенным временем автономной работы. Крайне низкое потребление аналоговой энергии является результатом выбора соответствующих маломощных операционных усилителей и оптимизации топологии цепи для эффективности.

Многоканальная система измерения температуры

Практическая многоканальная система измерения температуры с использованием термопар требует приборных усилителей для каждого канала, компенсации холодного перехода, сглаживающих фильтров и мультиплексного ADC. Усилители приборов обеспечивают необходимый коэффициент усиления и CMRR для усиления малых напряжений термопары при отказе от помех в обычном режиме.

Компенсация холодного перехода может быть реализована с помощью датчика точной температуры на эталонном переходе в сочетании с таблицей поиска или полиномиальным расчетом для генерации соответствующего напряжения компенсации.Активная фильтрация удаляет высокочастотный шум перед оцифровкой, в то время как мультиплексор позволяет одному ADC обслуживать несколько каналов.

Точная электроника весового масштаба

Электронные весовые шкалы используют нагрузочные ячейки, сконфигурированные как мосты Уитстона, которые производят небольшие дифференциальные напряжения, пропорциональные приложенному весу. Электроника для кондиционирования сигналов должна обеспечивать высокий коэффициент усиления, отличную линейность и стабильность по температуре для достижения необходимой точности измерения.

Типичная конструкция использует измерительный усилитель для усиления выхода моста, за которым следуют дополнительные стадии усиления и фильтрации. Компенсация температуры учитывает как изменения чувствительности нагрузочных элементов, так и дрейф с нулевым смещением. Цифровая калибровка хранит калибровочные коэффициенты и применяет поправки для достижения высокой точности в полном диапазоне весов.

Передатчик управления промышленными процессами

Промышленные передатчики преобразуют сигналы датчика в стандартизированные выходы контура тока, обычно 4-20 мА, для передачи на большие расстояния.На входной стадии используется усилитель приборов для кондиционирования сигнала датчика, в то время как на выходной стадии преобразуется напряжение в точный ток с использованием преобразователя напряжения в ток на основе операционных усилителей.

Эти передатчики должны надежно работать в суровых промышленных условиях с широкими температурными диапазонами, электрическим шумом и потенциальными различиями в потенциале грунта.Надежная конструкция, включая защиту входа, фильтрацию, изоляцию и тщательное заземление, обеспечивает надежную работу в этих сложных условиях.

Заключение и будущие направления

Операционные усилители остаются незаменимыми компонентами в системах приборостроения, обеспечивая кондиционирование сигнала, необходимое для извлечения значимой информации из датчиков и преобразователей.Основные принципы проектирования схем операционного усилителя - понимание усиления, пропускной способности, шума, смещения и стабильности - составляют основу для успешной разработки системы приборостроения.

Современные интегрированные приборные усилители, усилители автоматического снужения и стабилизированные вертолетом конструкции раздвигают границы точности и производительности, позволяя проводить измерения, которые ранее были непрактичными или невозможными.Интеграция аналоговых и цифровых технологий создает гибридные системы, которые сочетают в себе лучшие атрибуты обеих областей.

По мере развития сенсорных технологий и появления новых приложений роль операционных усилителей в приборостроении продолжает развиваться. Тенденции к снижению энергопотребления, меньшему размеру, беспроводной связи и интеллектуальной обработке сигналов приводят к инновациям как в технологии устройств операционного усилителя, так и в методах проектирования схем. Понимание этих основ и постоянное совершенствование новых технологий позволяет инженерам разрабатывать системы приборостроения следующего поколения.

Для дальнейшего изучения приложений операционных усилителей и методов проектирования ценные ресурсы включают в себя Analog Devices Design Center, который предлагает комплексные примечания приложений, инструменты проектирования и технические статьи.Texas Instruments Amplifier Circuit Design Resources предоставляют дополнительную информацию о практической реализации схем. Для тех, кто интересуется биомедицинскими приложениями, в частности, Национальный центр биотехнологической информации содержит многочисленные исследовательские работы по передовым методам биомедицинских приборов. Учебная платформа «Все о схемах» предлагает учебные пособия и интерактивные учебные ресурсы как для начинающих, так и для опытных инженеров.