Yüksek-Input Impedance Buffer Devreleri Anlamak

Yüksek faktörlü tamponlar analog sinyal kablosunda temel yapı bloklarıdır. birincil rolü, sinyal kaynağının aşağı uç devreleri tarafından yüklenmesini engellemektir.Bir kaynak yüksek çıktı dürtü (örneğin, bir pH Prodüksiyonu, pastazoelektrik sensörü veya yüksek geri fotoğraflayıcısı), hatta mütevazı bir yük direncinin sinyal veya nonlinearize edilmesinden vazgeçilmesine izin verir.

Klasik gerilim takip cihazı (sonrası-saygı) bunu olumsuz geri bildirim kullanarak elde eder ve çıktı gerilimi tam olarak giriş gerilimini takip eder. Operasyonel yükselteçler (op amps) son derece yüksek açık-loop kazanarak bu mümkün kılar.

Doğru Operasyonel Amplifier'i seçin

Tüm af ampleri yüksek oranda etkisiz hale getirmek için uygundur. Anahtar parametreler girişin imkansızlığını, giriş önyargısını, giriş dağılımını dengelemeyi, bant genişliğini ve gürültüyü içerecektir. hassas kaynaklar için, giriş önyargıları genellikle en kritiktir - kaynağın çıkışındaki gerilimin düşmesine neden olmaz. JFET-input and CMOS-inputs are the standard choices because their entry negative currents are often in the picoamp range.

ParameterTypical Requirement for Sensitive Sources
Input Impedance≥ 10¹² Ω (JFET/CMOS)
Input Bias Current≤ 100 pA (ideally < 10 pA)
Input Offset Voltage< 1 mV for DC accuracy
Gain-Bandwidth Product (GBW)10× the maximum signal frequency
Noise (1/f and broadband)Low for low-level signals

JFET vs. CMOS Op Amps

JFET-input op amps such as TL081, LF356, or OPA140, çok yüksek giriş engelli (1012 ULL) ve düşük gürültüyü orta frekanslarda sunar ve genellikle bazı uygulamalarda endişelenebilir. CMOS-input ops like LMP7721, OPA333, veya ADA4522, oPA400, daha düşük bir önyargıya sahip olabilir (daha düşük frekanslar) ve genellikle yüksek frekanslılar sunar.

Bipolar Opsiyon genellikle uygun olmayan

Bipolar op amps (e.g., LM741, NE5532) mikro volt seviyesindeki önyargılara sahiptir, bu nedenle yüksek hacimli bir gerilime karşı herhangi bir önemli kaynak direncine karşı kabul edilemez bir gerilim oluşturur. 1 MULL kaynağı için bir engel, 100 nA önyargılı bir mikro volt seviyesindeki sensör sinyalini tamamen toplar.

Unity-Gain Buffer'in Tasarım Prensleri

Kanonik devre basittir: giriş sinyali giriş gerilimine bağlı olarak bağlantıya bağlanır (), ve çıkış süresiz açık olan herhangi bir sapmaya doğrudan bağlıdır (terör) Bu olumsuz geri bildirimler, giriş gerilimine kadar çıktıyı otomatik olarak indirmeye yardımcı olur.

Basit olsa da, buffer istikrara dikkat eder, özellikle de kapasitif yüklerken. amp'in çıktı aşaması ve geri bildirim döngüsü, yük kapasitesinin belirli bir sınırı aşsa osilabilir. Çoğu veri sayfası, kapasitif yük işleme yeteneğini belirtir ve küçük bir direnç (örneğin, 10-50 ULL) yüke ekle.

Pratik Kompozi Değerleri

Temel takip için dış dirençler gerekli değildir, ancak iki ek bileşen neredeyse her zaman gereklidir:

  • [FONT=0)Input protection direnici:[Dönetici:[Dönetici:0)))))))) Bir 1 kULL ila 10 kULLm, seride olmayan girişle karşı karşıya kalan giriş gerilimi, tedarik raylarını aşacak şekilde sınırlayabilir.
  • [FONT:0)Feedback dirençli (isteğe):[Döneticiler) Bazı tasarımcılar küçük bir direnici (örneğin, 50 ULL) ağır yüklerken stabiliteyi artırmak için geri bildirim yolunda geri bildirimde bulunuyorlar.

Güç Supply and Decoupling

Yüksek hacimli otobüsler güç tedarik gürültülerine son derece hassastır. Tedarik raylarında herhangi bir dalga veya gürültü, amp amplifikasyonun gücü tedarik oranı (PSRRR) ile sinyale işaret eder (PSRR) Modern af ampleri DC'de mükemmel PSRR (80-120 dB) olsa da, PSRR degradları daha yüksek frekanslarda önemlidir: Proper decoupling önemlidir:

  • Her tedarik pimi (V+ ve V) mümkün olduğunca 0.1 μF seramik kapasitorunu yerleştirin.
  • Daha düşük frekans atılması için paralel olarak 10 μF elektrolitik veya tantalum kapasitör ekleyin.
  • Buffer dijital devrelerle bir yönetim kurulu paylaşıyorsa ayrı analog ve dijital tedarik izlerini kullanın.
  • Düşük boyutlu bir gerilim düzenleyicisi kullanmayı düşünün (örneğin, LP5907 veya TPS7A49) af amp tedarik etmek için.

Giriş Bias Current Effects

JFET ve CMOS a amplifikasyonun bir giriş noktası var, bu da kaynak engeli ile hareket ediyor ve 1 MULL kaynağı ve 10 pA önyargı akımı için, dengeleme 10 μV - birçok uygulama için kabul edilebilir. Ancak kaynak yetersizse aynı önyargı 1 mV'yi yaratır: Bu sorunu çözmek için:

  • İşletim sıcaklığında düşük giriş önyargılı bir af amp kullanın.
  • PCB girişinden gelen af amp'e kadar, kir veya nemden gelen sızıntı akımlarını en aza indirmek için mümkün olduğunca kısa bir süre devam edin.
  • Giriş pin etrafında bir bekçi yüzüğü ekleyin: giriş olarak aynı gerilim tarafından yönlendirilen bir bakır izi (bir tampon için zor, çünkü her iki giriş aynı potansiyele sahiptir) shunts sızıntı akımları hassas node'den uzaktır.
  • Aşırı durumlarda, bekçinin aktif olarak kontrol edildiği bir bottrap tekniği uygulayın.
[FONT:0]Guard Ring Örneği: ) Yüzeysel af amplitüdün, giriş piminin çevreleyen dar bir izdir, aynı gerilime bağlı olarak (örneğin, bir tampon madde ile çıkış).

Gürültü Yüksek İmpedans Buffers

Bufferin kendisi sinyale gürültü ekliyor. Çıktıdaki toplam gürültü genellikle düşük mevcut gürültü yoğunluğuyla bir af amplitüdasyona bağlı olarak, yüksek yetersizliklerde, mevcut gürültü (in) akantıdan akan bir gerilim gürültü terimine (örneğin × Zsource) bağlıdır. Bu nedenle, düşük mevcut gürültünün af amplifikasyonu seçmek eleştireldir.

Örneğin, OPA140 (JFET) şu anda LMP7721'in 4.0 nV/pilot gerilimi gürültü ve 10 nV / √Hz termal gürültüyü veriyor. amplifiğe/pilota (5.1 nV/POSM) o zaman yüksek kaynak için, JFET af amplitüdleri için, 10 MULLAH'nin yüksek gerilimine rağmen daha yüksek gürültüye sahip.

Minimum Gürültü için tasarım

  • Kaynağı en düşük gürültü rakamını elde etmek için af amplifiğine karşı koy.
  • Kanal genişliğini en yüksek frekansa kısıtlamak için tampon çıktıdaki düşük frekanslı filtre kullanın - bu toplam entegre gürültüyü azaltır.
  • Ortam ısısını düşük tutun; dirençli ısı gürültüsü (√4kTR) sıcaklık ile ölçekler.
  • Düşük aşırı gürültü (metal film) ile dirençleri seçin, özellikle de kullanılan geri bildirim ağında.

Stability and Capacitive Loads

Birçok yüksek eksenli sensörler uzun bir kablo ile tampona bağlıdır, bu da önemli kapasiteye sahiptir.Eğer af amplitüdün kabloya sığmaksızın sığabilirse, sistem güvenilmez hale gelir.

  • Birliğe sahip olabileceği maksimum kapasitif yük için af amp veri sayfasına başvurun.
  • Yük kapasitesi sınırı aşıyorsa, küçük bir direnç (Riso) çıktı ile seride eklemek, genellikle 20-100 ULL. Bu, kapasitif yükleri izole eder ve transfer işlevinde sıfır ekler, faz marjını artırır.
  • Alternatif olarak, yüksek kapasiteli yük sürücüsü için özel olarak tasarlanmış bir af amp kullanın, örneğin OPA2192 veya LT6220 gibi.
  • Küçük bir geri bildirim cihazı ekleyin (örneğin, 1-10 pF) döngüyü yüksek frekanslarda yuvarlamak ve osilasyonları önlemek için doğrudan geri bildirimler bağlantısı ile paralel olarak.

Üstten Çıkış için En İyi Uygulamalar

Fiziksel düzen yüksek orandan silinebilir veya kırılabilir. nahoş izlerinin yanı sıra, parasitik kapasitans ve gürültü seçicileme 10 MULL'yi takip ettiğinde önemli hale gelir.

  • [FONT:0)Mini not iz uzunluğuna dikkat edin:[Döntgen: 0) Girişin izlerini mümkün olduğunca kısa tutun. sinyal kaynağı dışsa, kontrollü bir bekçi (aktif koruma) ile bir kablo kullanın.
  • [FONT:0)Temiz Kurul yüzeyi:[DÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜ:0) Temiz tahta yüzeyi:[Dönetici:0) | [DÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜŞÜNCÜŞÜNCÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNCÜŞÜNCÜŞÜNCÜŞÜNCÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNTÜSİ - 1.ŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNTÜSİ - TÜSİ - 1.ŞÜNTÜSİDÜŞ
  • [FONT:0)Guard ring:[Dönemli:[Dönemli) Daha önce belirtildiği gibi, giriş pinini aynı potansiyele bağlı bir halka ile çevreleyebilir.
  • [[Din:0) Girişin altındaki zemin uçaklarından yoksun: Stray kapasitance to zeminde giriş engelini yüksek frekanslarda azaltır. giriş pin ve izlerinin altında zemin uçağı çıkarın.
  • [FONT:0)Tezli düşünce ile kullanılır:[Dönetici: 1) Yüksek hacimli sinyalleri gürültülü güç uçaklarına bağlayan şekilde rotalamaz.

Buffer Devresini Simulating

Bir prototip inşa etmeden önce, SPICE (e.g., LTspice, PSpice veya QUCS) kullanarak tamponu simüle edin:

  • Üreticiden gelen af amp makro modeli.
  • Kaynak (gerçek ve reaktif)
  • Beklenmiş yük ( kablo kapasitesi dahil).
  • Güç tedariki, ağları.
  • Herhangi bir giriş koruması direniciler.

Simülasyon, döngünün faz marjını inceleyerek istikrara yardımcı olur. Ayrıca, parasitik kapasitenin düzeninin (kıtıl kapasitenin modeline girişten birkaç pF'ye girişten bir miktar sönüne) Uyum sağlar.

Yüksek-Input Uygulamaları Buffers

Bu tamponlar hassas analog sistemlerde ubiquitoustir. Notable örnekler şunları içerir:

Biomedical Sensörler

Elektrocardiogram (ECG) ve elektroenseseogram (EEG) elektrotoksit yüksek kaynak dürtüleri vardır (tipik olarak 1-100 MULL). Doğrudan elektrot sitesinde bulunan bir tampon, sinyalin toleransını önler ve AD8220 veya INA118 gibi müdahaleyi azaltır, ancak ilk aşama olarak düşük yanlı akım eserleri ile basit bir tampon.

Fotodetector Front-Bits

Fotodiode yükselteçleri genellikle diyot yüklemesi gerektirmez, ancak fotodiode fotovoltaik modunda (zero önyargı) kullanılırsa, çıktı dürtü çok yüksektir. Bir tampon, diyot yüklemeden açık-cir gerilimi okumak için kullanılabilir. Benzer şekilde, fotoplier tüpler ve mikro kanal plakaları daha fazla amplifikasyondan önce bir tampontan faydalanan yüksek çözünürlüklülar üretir.

Piezoelektrik Sensörleri

Otomatik strese yanıt vermek için başarılı ölçümler ve baskı sensörleri. eşdeğer kaynak yetersizlik son derece yüksek (1010-1012 ULL) <100 fA önyargı ve ultra-düşük giriş kapasitesi (e.g., OPA128) ile bir tampon genellikle nem sızıntısını en aza indirmek için hermetic paketlerinde barındırılır.

Kimyasal ve pH elektrotları

Cam pH elektrotları 10-1000 MULL oda sıcaklığında bir dirençe sahiptir. Yüksek hacimli bir tampon (şu anki < 1 pA) LMC6042 veya LMC6062 gibi pH gerilimi doğru bir şekilde okumak için gereklidir.

Ses ve Alet

Yüksek uçlu seste, tampon devreler pasif önbelleklerin veya gitar seçicilerinin tonal kaliteyi korumak için kullanılır. Instrumentation yükselteçleri genellikle yüksek ortak nokta reddedilmesi için girişte yüksek oranda yüksek oranda kesintiye uğratılır.

Test ve Doğrulama

Montajdan sonra, buffer'ın performansını doğrulayın:

  • DC dengeleme: Yazdır Yazdır Yazdırma işlemine zemine kısa sürede (veya orta derecede) ayarlanmalıdır.
  • [FONT=0)Input inkar etti:[Dönetici:[Dönetici] İndüksiyonu büyük bir dizi dirençle bilinen AC sinyalini büyük bir dizi dirençle (örneğin, 10 MULL) ve en az değerleme ölçülmesini ölçüldü.
  • [FONT:0) Hayır:[Dönetici: FFT ile bir spektrum analizörü veya oscilloskopu kullanın. Çıktı değerlerle karşılaştırıldığında.
  • [FONT:0)Adım yanıt:[[Dönetici:0)) Düşük hacimli bir kaynakla hızlı bir meydan dalga (≤1 kHz) uygulayın ve gerekirse aşırı yükleme veya ringleme. Tweak tazminatı gözlemleyin.

Ortak Pitfalls ve Them'dan Nasıl Kaçırmak

  • Giriş kapasitesi: Af amp'in giriş kapasitesi (common-mode ve diferansiyel) artı stray PCB kapasitance, kaynak yetersizlik ile şarj edilebilir bir bölme oluşturur, düşük giriş kapasiteli bir amp seçin.
  • [FONT:0] uygunsuz güç tedarik gerilimlerini ortadan kaldırmak: Bazı sensörler tedarik raylarının yakınında sinyal seviyelerinde faaliyet göstermesini gerektirir. Aksi takdirde demiryolu-ray giriş ve çıkış ile bir af amp seçin, giriş ortak noktası aralığının beklenen sinyali içerir.
  • [FONT:0) Elektrostatik deşarj (ESD) korumayı sağlamak: [DDDDD:0) Yüksek hacimli girişler ESD'ye karşı savunmasızdır.Bir dizi direnç ekleyin (-10 kULL) ve dış TVS diyotları veya Zener çatlakları tedarik rayları içinde sağlar.
  • [FONT:0) Tek bir tedarike önyargısız bir şekilde dikkat edin:[Dönetici:0))) Bir orta-ray gerilime (örneğin, bir dirençli bölme ve ikinci bir tampon kullanarak girişin, afıklama ağının gürültü seçmeden kaçınmasına engelleyici bir girişe yol açmaması gerekir.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Bir af amplitüdasyon ile yüksek çözünürlükte bir devre tasarlamak, doğru cihazın seçildiği ve düzeni bakımla infaz edildiğinde basit bir görevdir. Anahtar, biyomedikal izlemeden yüksek çözünürlükte, gürültü ve sinyal frekanslarına kadar uzanan uygulamalarla eşleştirmektir.

Daha fazla okuma için, uygulama notlarına op amp üreticilerinden başvurun: 03.Analog Cihazları AN-240: Yüksek Impedance Buffer Design) ve [[ENFLT:2)TI SBOA003: Op Amp Giriş Impedance ve Bias Current resources).