Измерительные усилители

Реферат

Измерительные усилители

Измерительные усилители это устройства для прецизионного усиления разности потенциалов между двумя точками электрической цепи. Они представляют собой усилители с дифференциальным входом, которые усиливают только разность напряжений на их входах и не реагируют на синфазное напряжение.

В простейшем случае в качестве измерительного усилителя можно использовать ОУ в дифференциальном включении (рис. 1а). Подобные схемы называют дифференциальными усилителями. Если выбрать, то

.

Эта схема имеет низкое входное сопротивление и требует точной настойки параметров, те не менее она выпускается многими фирмами в виде ИМС. Например, для ИМС INA133, INA134 K_д регулируется от 0,1 до 10, а коэффициент ослабления синфазной составляющей порядка 80дБ. Для ДУ AD629 K_д=1, коэффициент ослабления синфазной составляющей превышает 86дБ, рабочий диапазон синфазных напряжений составляет ±270 В.

а) б) Рис. 1. Измерительные усилители Для улучшения характеристик схемы дифференциального усилителя между источником сигнала и каждым из входов включают неинвертирующие повторители (рис. 1б). Эти повторители выполняют функцию буферов между источником сигнала и входами ДУ. Как следствие увеличивается входное сопротивление измерительного усилителя и влияние выходного сопротивления источников сигнала на дифференциальный коэффициент усиления и коэффициент ослабления синфазного сигнала практически устраняется.

Схема, приведенная на рис. 1б принята в качестве стандартной схемы ИУ. Обычно выбирают R₁ = R₂, а R₃ = R₄ = R₅ = R₆. В этом случае дифференциальный коэффициент усиления равен .ИУ по этой схеме выпускаются в виде ИМС с внутренними согласованными резисторами (AD620, LM363, ICL7605 и др.). Обычно эти ИМС имеют выводы для подключения внешнего резистора R_p, которым задается дифференциальный коэффициент усиления, а также вход опорного напряжения «REF», который используется во многих приложениях. Шумовые характеристики промышленных моделей рассматриваемого типа ИУ имеют некоторые особенности приведенные ко входу значительно лучше, чем у рассмотренных выше моделей. Например, скоростной ИУ MAX4146 фирмы Maxim имеет полосу пропускания 70МГц при K_д=10, а при K_д=100 и соответствующем уменьшении полосы пропускания спектральная плотность шума составляет 3,5 нВ/(Гц)^0,5.

Примеры применения измерительных усилителей (ИУ).Однокристальные ИУ могут использоваться для тех же целей что и ОУ, обеспечивая более высокие характеристики схем при сопоставимой стоимости. Это входные усилители в разного рода измерительных устройствах, усилители слабых сигналов, высококачественные усилители в области низких частот.

Схему на рис. 2а применяют в тензометрии, при измерения давления, температуры и т. д. В одно или два плеча мостовой схемы включены тензо — (термо-) резисторы. Синфазное напряжение на входах дифференциального усилителя (ДУ) составляет обычно 1.5… 2.5 В. Это напряжение, как правило, стабилизируется, тем не менее возможны его изменения в пределах порядка 10 мВ. При измерениях обычно требуется обеспечить чувствительность к разбалансировке моста на уровне 1 мкВ. Для этого необходимо, чтобы усиление ОУ по дифференциальным входам было не менее 80 дБ. Вторую схему (рис. 2б) применяют при измерении тока в проводе, потенциал V которого многократно превосходит напряжение питания ОУ.

а) б) Рис. 2. Применение ИУ для усиления сигналов от датчиков параметров На рис. 3 приведена схема источника тока, управляемого напряжением, некритичная с соотношению сопротивлений резисторов.

Рис. 3. Источник тока, управляемый напряжением Выходной ток этой схемы определяется выражением

На рис. 4а приведена схема усилителя переменного напряжения и его ЛАЧХ, которая может быть использована в предварительного усилителя слабых сигналов. Симметричный относительно земли вход ИУ позволяет снизить уровень синфазной помехи от внешних электрических полей. Передаточная функция рассматриваемого усилителя равна а) б) Рис. 4. Усилители переменного напряжения на ИУ Фирма Burr-Brown Выпускает ИМС ИУ INA163, оптимизированную для аудиоприложений. Этот усилитель имеет сверхнизкий уровень шума 1 нВ/Гц^0,5, широкий диапазон усиления (1…104), низкую нелинейность переходной характеристики (не более 0.004%), но довольно большое смещение нуля (0.5 мВ). Последнее несущественно для звукотехники, что позволяет использовать его в высококачественных микрофонных усилителях.

На рис. 4б приведена схема усилителя для приема слабых сигналов удаленного датчика размещенного рядом с мощными электроустановками. Одной из сложных задач в этом случае является устранение синфазных помех промышленной частоты 50 Гц. При их подавлении фильтрами искажается полезный сигнал. Экранирование проводов от датчика малоэффективно. Задача решается созданием на экране потенциала, совпадающего с синфазной составляющей напряжения входного сигнала. Резистор R_p, которым устанавливается коэффициент усиления ИУ, заменяется двумя последовательно включенными резисторами с сопротивлениями 0,5R_p, а их общая точка через буферный повторитель соединяется с экраном. Буфер применен для устранения прохождение сигнала от экрана в ИУ. Резистор R₁ сопротивлением несколько сотен Ом необходим для уменьшения емкостной составляющей нагрузки буферного повторителя. Такой усилитель широко применяют в тензометрии и электрокардиографии.

Фильтры на переключаемых конденсаторах В настоящее время наблюдается чрезвычайно быстрый рост применения МОП-структур в компонентах электронных схем. В сравнении с биполярными МОП-структуры имеют большой входной импеданс, они управляются напряжением, а в статическом режиме практически не потребляют мощности. Технология МОП-структур обеспечивает большую плотность упаковки компонентов и, наконец, позволяет достаточно просто реализовать в ИМС конденсаторы относительно большой емкости. Такие МОП-конденсаторы в сочетании с МОП-ключами позволяют заменить резисторы в некоторых типах ИМС и строить схемы обработки аналоговых сигналов с высокими точностными и эксплуатационными характеристиками. Современные МОП-технологии позволяют изготовлять интегральные резисторы и МОП-конденсаторов с погрешностями около 0,1%, однако характеристики МОП-конденсаторов в десятки раз менее подвержены влиянию нестабильности температуры и питающих напряжений чем характеристики резисторов. Высокая точность изготовления интегральных МОП-конденсаторов и высокая стабильность их характеристик способствовали тому, что в последние годы получили развитие способы обработки сигналов, использующие явление дискретного переноса зарядов. Один из путей реализации этой идеи состоит в применении схем с переключаемыми конденсаторами.

Рассмотрим реализацию аналогового интегратора с применением переключаемого конденсатора. На рис. 5а приведена схема обычного традиционного интегратора, а на рис. 5б интегратора с переключаемыми конденсаторами.

Рис. 5. Схемы интеграторов: а) на RС-цепи; б) с переключаемым конденсатором Передаточная функция традиционного интегратора имеет вид, а комплексный коэффициент передачи измерительный электрический фильтр конденсатор В интеграторе с переключаемым конденсатором резистор R₁ имитируется путем периодического переключения конденсатора С₁ от источника входного сигнала к входу ОУ. Такой интегратор работает следующим образом. Коммутатор периодически переключается из положения 1 в положение 2 и обратно с периодом Т. Половину периода конденсатор С₁, заряжается от источника входного сигнала, на вторую половину периода конденсатор С₁ переключается в положение 2: к входу ОУ с конденсатором С₂ в цепи обратной связи. Так как входное дифференциальное напряжение и входные токи идеального ОУ равны нулю, конденсатор С₁, разрядится полностью и его заряд просуммируется с зарядом, накопленным на конденсаторе С₂.

Следовательно, для схемы справедливо следующее уравнение зарядов

где k — номер такта переключения конденсатора С₁. Знак «?» обусловлен отрицательной обратной связью. Применив к этому уравнению z-преобразование, можно найти передаточную функцию рассматриваемой схемы:

Такую передаточную функцию имеет дискретный интегратор. Чтобы найти комплексный коэффициент передачи схемы, заменим в последней формуле z на и получим При величина, следовательно Таким образом коммутируемый конденсатор имитирует резистор с сопротивлением T/С₁ для схемы приведенной на рис. 5а. Следовательно, изменяя частоту переключения конденсатора, можно регулировать постоянную времени интегрирования интегратора.

Достоинства фильтров на интеграторах с переключаемыми конденсаторами:

1) они в несколько раз дешевле, чем фильтры на RC-интеграторах, поскольку коэффициент передачи интегратора с переключаемым конденсатором зависит только от отношения емкостей двух конденсаторов (а не от их абсолютных величин) и существенно проще создать на кремниевой подложке ИМС несколько однотипных согласованных элементов, чем несколько согласованных разнотипных;

2) важным преимуществом фильтров на переключаемых конденсаторах является возможность настройки их характеристической частоты (центральной частоты полосового фильтра или частоты среза фильтра нижних частот) изменением только тактовой частоты — это позволяет уменьшить количество внешних навесных элементов ИМС и количество ее выводов.

Например, ИМС МАХ291 — фильтр 8-го порядка на интеграторах с переключаемыми конденсаторами выпускается в корпусе с восемью выводами без внешних времязадающих элементов, тогда как подобная ИМС МАХ274 с RС-интеграторами имеет 24 вывода, а ее типовая схема включения содержит 15 внешних резисторов.

Недостатки фильтров на переключаемых конденсаторах обусловлены присутствием периодического тактового сигнала, которым переключаются конденсаторы.

Первой проблемой является сквозное прохождение сигнала тактовой частоты (с напряжением приблизительно.25 мВ) в выходной сигнал. Обычно это не имеет существенного значения, поскольку спектр этого сигнала значительно удален от полосы, занимаемой полезным сигналом: разработчики ИМС задают частоту коммутации в 50−100 раз больше характеристической частоты фильтров. Для подавления сигнала тактовой частоты можно применить аналоговый ФНЧ первого или второго порядка. В состав ИМС фильтров на переключаемых конденсаторах, как правило, включают неинвертирующий повторитель, на котором можно построить такой фильтр.

Вторая проблема связана с наложением высокочастотных и низкочастотных спектральных составляющих входного сигнала при коммутации конденсаторов. Любые компоненты входного сигнала, которые отличаются от частоты тактового сигнала на величину, не превышающую полосу пропускания фильтра, не будут подавлены. Например, если использовать ИМС МАХ291 в качестве ФНЧ с частотой среза 1 кГц и тактовой частотой 100 кГц все спектральные компоненты входного сигнала, лежащие в диапазоне от 99 до 101 кГц, за счет биений с тактовой частотой будут перенесены в диапазон частот 0 — 1кГц. Поэтому в случае, если входной сигнал содержит спектральные компоненты с частотами, близкими к тактовой частоте, перед входом фильтра на переключаемых конденсаторах необходимо включить аналоговый ФНЧ.

Выводы и результаты

1. Линейные звенья на операционных усилителях (измерительные усилители, фильтры на переключаемых конденсаторах) широко применение в устройствах обработки сигналов. Измерительные усилители могут использоваться операций прецизионного умножения сигнала на константу, в качестве усилителей слабых первичных информационных сигналов, для построения управляемых источников тока и напряжения, в качестве моделей индуктивностей (гираторы).

2. Фильтры на интеграторах с переключаемыми конденсаторами удобны для реализации устройств обработки сигналов в ИМС, использующих МОП-технологию, ОНи в несколько раз дешевле фильтров на RC-интеграторах, поскольку коэффициент передачи интегратора с переключаемым конденсатором зависит не от их абсолютных значений емкостей, а только от их отношения. На кремниевой подложке ИМС существенно проще создать несколько однотипных согласованных элементов, чем несколько согласованных разнотипных;

2) Важным преимуществом фильтров на переключаемых конденсаторах является возможность настройки их характеристической частоты (центральной частоты полосового фильтра или частоты среза фильтра нижних частот) изменением только тактовой частоты — это позволяет уменьшить количество внешних навесных элементов ИМС и количество ее выводов.

1. Сергиенко А. Б. Цифровая обработка сигналов: Учебник для вузов. 2-е изд. — СПб.: Питер, 2006. — 751 с.: ил.

2. Волович Г. И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. 2-е изд. — М.: ДОДЭКА-XXI, 2007. — 528 с.: ил.

3. Лэм Г. Аналоговые и цифровые фильтры. Расчет и проектирование. — М.: Мир, 1982. — 592 с.

4. Хьюлсман Л. П., Ален Ф. Е. Введение в теорию и расчет активных фильтров. Пер. с англ. — М.: Радио и связь, 1984. — 384 с.