Измерительный усилитель

Измерительный усилитель (ИУ) имеет два входа и один выход. В отличие от ОУ он обладает конечным коэффициентом усиления (его величина обычно не более 100) и возможностью подключения источников сигнала одновременно на два вхо­да. Это означает, что все компоненты цепи ОС подключаются не к инвертирую­щему и неинвертирующему входам, а к другим выводам ИУ. Основная функция ИУ - формирование выходного сигнала, пропорционального разности напряже­ний на его входах:

где V₊ и V — напряжения на инвертирующем и неинвертирующем входах, а А — коэффициент усиления. Измерительные усилители могут быть реализованы на основе ОУ по интегральной или гибридной технологиям. Важным свойством ИУ

Глава 5. Интерфейсные электронные схемы

является высокое сопротивление по обоим входам, что позволяет ему выступать в роли дифференциального усилителя и эффективно подавлять синфазные адди­тивные помехи (см. раздел 5.9). Примером высококачественного ИУ является усилитель INA 118 фирмы Burr-Brown/Texas Instruments (www.ti.com). Он облада­ет низким напряжением смещения (50 мкВ) и высоким коэффициентом ослабле­ния синфазных сигналов (110 дБ). Коэффициент усиления такого ИУ задается одним резистором.

Хотя в настоящее время можно приобрести промышленно выпускаемые ИУ в интегральном исполнении, на практике многие применяют ИУ, реализованные из дискретных компонентов. На рис. 5.8 показана наиболее часто используемая схема ИУ. Падение напряжения на резисторе R_a настраивается равным входной разности ΔV, тогда ток, протекающий через него, будет равен: 1= ΔV/R . Выход­ные напряжения ОУ: U, и U₂ равны друг другу по амплитуде, но имеют разную полярность. Первая стадия усиления входной разности напряжений проходит на ОУ: U, и U₂, которые можно представить в виде одного усилителя, имеющего дифференциальные входы и дифференциальные выходы. Вторая стадия усиле­ния осуществляется на ОУ U₃, преобразующем дифференциальный входной сиг­нал в униполярный выходной. Полный коэффициент усиления ИУ можно найти из выражения:

Величина коэффициента ослабления синфазного сигнала (КОСС) зависит от того, насколько точно в этой схеме подобраны резисторы. Как правило, при использова­нии резисторов 1 % точности КОСС не превышает значения 100, тогда как для рези­сторов 0.1% точности КОСС имеет на порядок более высокие значения.

Рис. 5.8. Измерительный усилитель на трех ОУ с точно подобранными резис­торами

5.2. Усилители

Хороший и экономически эффективный ИУ можно реализовать на двух оди­наковых ОУ и нескольких прецизионных резисторах (рис. 5.9А). Для обеспечения низких уровней шума и тока смещения в схеме используются ОУ, входные каскады которых построены на полевых транзисторах. ОУ U, работает как неинвертирую-щий усилитель, a U₂ — как инвертирующий. Поскольку все входы ОУ обладают высоким импедансом, датчики к ним можно подключать напрямую, без всяких согласующих элементов. Цепи ОС каждого ОУ настраиваются так, чтобы напряже­ние на резисторе R_a, отвечающего за величину коэффициента усиления ИУ, было равно входной разности Δ V. Коэффициент усиления такого ИУ равен:

Следовательно, коэффициент усиления в рассматриваемой схеме может меняться в пределах от 2 (если пренебречь сопротивлением R_a) до значения коэффициента усиления ОУ без ОС (когда R_a=0)Для показанного на рисунке ИУ коэффициент усиления равен 100. Но всегда следует помнить, что входное напряжение смеще­ния будет увеличиваться с тем же коэффициентом усиления. Поэтому и в этой схеме необходимо тщательно подбирать резисторы R. На очень низких частотах рассогласование резисторов связано с КОСС обратной зависимостью, т.е. при рас­согласовании сопротивлений 0.01%, КОСС будет равен 10 000 (-80 дБ). На более высоких частотах более существенным становится несоответ­ствие импедансов. Регулирование импеданса может осуществляться при помощи подстроечного резистора и конденсатора С_г Также следует помнить, что ИУ, как правило, используют биполярный источник питания.

Рис.5.9. A — измерительный усилитель на двух ОУ, Б — недорогой измеритель­ный усилитель на одном ОУ

Глава 5. Интерфейсные электронные схемы

В случаях, когда высокая точность не требуется, а стоимость становится решаю­щим фактором, используют простой ИУ на одном ОУ и двух резисторах (рис. 5.9Б). В этой схеме резистор R_a, стоящий в цепи ОС, подсоединяется к выводу балансиров­ки нуля ОУ. Глубина ОС такого ИУ зависит от параметров конкретного ОУ и исполь­зуемых компонентов. Например, при использовании ОУ TLC271 (Texas Instruments) коэффициент усиления ИУ может быть определен по формуле:

Для номиналов, приведенных на рисунке, коэффициент усиления равен 50. Вне­шние соединения и значения параметров дополнительных компонентов опреде­ляются типом используемого ОУ. Следует также отметить, что для применения в такой схеме подходят не все ОУ.

Усилители заряда

Характерной чертой усилителей заряда (УЗ) является очень низкий ток смеще­ния. Такие усилители используются для преобразования в напряжение сигналов от емкостных датчиков, квантовых детекторов, пироэлектрических чувствитель­ных элементов и других устройств, имеющих на выходе либо очень маленькие заряды (порядка пикокулон, пКл), либо очень маленькие токи (порядка пикоам-пер, пА). Поэтому УЗ по своей сути является преобразователем заряда в напряже­ние. На рис. 5.10А показана принципиальная схема УЗ. В цепи ОС ОУ стоит кон­денсатор С, сопротивление утечки которого г должно быть значительно большим его импеданса на самой низкой рабочей частоте. В УЗ можно использовать толь­ко хорошие пленочные конденсаторы. Также необходимо уделять большое вни­мание качеству печатных плат и равномерному покрытию всех их компонентов.

Рис. 5.10.А — преобразователь заряда в напряжение, Б — преобразователь тока в напряжение

Передаточную функцию УЗ можно представить в виде:

5.2. Усилители

В случаях, где требуется очень высокая точность преобразований, может применять­ся специальный гибридный предусилитель заряда, примером которого может слу­жить схема DN630, выпускаемая фирмой ThermOptics, Inc (www.thermoptics.com). Такой усилитель работает с емкостями менее 1 пФ. Встроенный конденсатор но­миналом 1 пФ настраивает значение коэффициента усиления, соответствующее чувствительности 1 В/пКл. Этот коэффициент может быть снижен при помощи подключения одного или нескольких внутренних конденсаторов ко входу усили­теля. Такой усилитель обладает низким уровнем шума, а время нарастания и спа­да сигналов в нем составляет 5 нс.

Многие датчики могут быть представлены в виде конденсаторов. Часть ем­костных датчиков, таких как микрофоны, емкостные датчики силы и давления, а также детекторы влажности, являются активными устройствами, т.е. для работы им требуется сигнал возбуждения. Другая часть емкостных датчиков являются пассивными устройствами, напрямую преобразующими внешнее воздействие в электрический заряд или ток. Примерами таких датчиков могут быть пьезоэлект­рические и пироэлектрические детекторы. Существуют также неемкостные датчи­ки, которые можно рассматривать как генераторы тока. Фотодиод — представитель этой группы.

Датчик с токовым выходом можно представить в виде сопротивления утечки r соединенного парал­лельно с генератором тока, обладающим бесконечно большим внутренним сопротивлением (рис. 5.11). Датчик вырабатывает ток i, который может течь в двух направлениях: через сопротивление r внутри датчика (ток i₀) и через интерфейсную схему с входным импе­дансом Z_L (ток i_out.)Поскольку ток i₀по своей сути является паразитным, следует стремиться к тому, что­бы сопротивление утечки датчика было намного боль­ше импеданса интерфейса.

Из закона Ома следует, что для преобразования электрического тока i_out в напря­жение ток должен пройти через нагрузку с определенным импедансом, тогда паде­ние напряжения на этой нагрузке будет пропорционально величине этого тока. На рис. 5.10Б показана принципиальная схема преобразователя тока в напряжение, в которой датчик с токовым выходом подключен к инвертирующему входу ОУ, играю­щему роль виртуальной земли. В этой схеме напряжение на инвертирующем входе почти равно напряжению на неинвертирующем заземленном входе ОУ. Следова­тельно, датчик работает при почти нулевой разности потенциалов на своих выводах, а ток, протекающий через него определяется выходным напряжением ОУ:

Для устойчивости работы схемы г должно быть намного меньше R. На высоких час­тотах ОУ работает практически с разомкнутой цепью ОС, т.е. с очень большим коэф­фициентом усиления, что может привести к возникновению колебаний. Это осо­бенно важно помнить при использовании датчиков с низким сопротивлением утеч­ки. Преимуществом схем с виртуальной землей является независимость выходного

Глава 5. Интерфейсные электронные схемы

сигнала от емкости датчика. Напряжение на выходе такой схемы сдвинуто по фазе на 180° по отношению к току. На рис. 5.12А показана неинвертирующая схема пре­образователя тока в напряжение, быстродействие которой определяется как емко­стью датчика, так и величиной резистора R₁Реакцию такого преобразователя на ступенчатую функцию можно описать следующим выражением:

Рис. 5.12.А — неинвертирующий преобразователь тока в напряжение, Б — резистивный умножитель

При работе с пьезоэлектрическими и пироэлектрическими датчиками сопро­тивление резистора R_b (R на рис. 5.10Б) может достигать значений десятков и даже сотен ГОм. На практике резисторы таких номиналов используются крайне редко: во-первых, они достаточно редки; во-вторых, они обладают плохой стабильнос­тью при изменении условий окружающей среды. В таких случаях высокоомный резистор часто заменяют схемой, известной под названием умножителя сопро­тивлений, реализованной на основе ОУ с положительной ОС (рис. 5.12Б). Благо­даря высокому коэффициенту усиления ОУ, напряжения на инвертирующем и неинвертирующем входах усилителя практически равны друг другу: V₊≈V. Рези­сторы R₁и R₃формируют резистивный делитель, напряжение У₂ на котором опре­деляется следующим соотношением:

Зная падение напряжения на резисторе R_b, можно найти ток, протекающий через него:

5.3. Схемы возбуждения

Из этого уравнения получим зависимость входного напряжения от входного тока и сопротивлений:

Из последнего выражения видно, что значение резистора К_ь как бы увеличивается в (1+R₃/R₁)раз. Это значит, что если R_b = 10 МОм, а коэффициент (1+R₃/R₁)≈5

, эта схема является виртуальным сопротивлением 50 МОм. Однако такой умножитель сопротивлений следует применять очень аккуратно, поскольку нельзя забывать, что шумы, ток и напряжение смещения будут усиливаться в такое же (1+R₃/R₁)число раз, и это может быть неприемлемым в ряде практических случаев. Этой схеме присуща еще одна отрицательная черта: неустойчивость, обусловленная положительной ОС. Поэтому на практике никогда не используют умножитель сопротивлений с коэффи­циентом увеличения более 10.

Схемы возбуждения

Активным датчикам для работы требуется дополнительная внешняя энергия. При­мерами активных датчиков являются датчики температуры (термисторы и резис-тивные детекторы температуры), датчики давления (пьезорезистивные и емкост­ные) и датчики перемещений (электромагнитные и оптические). Внешняя энер­гия может подаваться на датчики в различной форме: либо в виде постоянного тока или напряжения, либо в виде синусоидального или импульсного токов. Иног­да она поступает в датчики в виде света или ионизационного излучения. Такие виды внешней энергии называются сигналами возбуждения. Часто стабильность и точность датчиков напрямую связана со стабильностью и точностью сигналов возбуждения. Поэтому схемы возбуждения всегда должны выдавать сигналы, не приводящие к ухудшению характеристик всей измерительной системы. В следу­ющих разделах будут рассматриваться электронные схемы, вырабатывающие сиг­налы, необходимые для нормального функционирования различных датчиков.

Генераторы тока

Генераторы тока должны вырабатывать ток для подачи в цепи датчика, значение которого в заданных пределах не зависит ни от свойств чувствительного элемен­та, ни от величины внешнего сигнала, ни от факторов окружающей среды. Дру­гими словами, токовый генератор — это устройство, вырабатывающее электри­ческий ток, величина которого не зависит от импеданса нагрузки, т.е. амплитуда выходного сигнала генератора должна оставаться постоянной даже при измене­нии импеданса нагрузки.

Способность токовых генераторов выдавать ток возбуждения точно заданной амплитуды и формы является причиной их широкого использования в составе ак­тивных датчиков. При работе с датчиками желательно, чтобы генератор тока не толь­ко вырабатывал сигнал, независящий от импеданса нагрузки, но и управляемый от внешнего источника сигналов (генератора сигналов специальной

188 Глава 5. Интерфейсные электронные схемы

формы), имеющего, как правило, выходной сигнал в виде напряжения. Хороший тактовый генератор должен вырабатывать на выходе ток в строгом соответствии с управляющим сигналом, который не должен зависеть от нагрузки при значитель­ном изменении ее импеданса.

Основными характеристиками генераторов тока являются: выходное со­противление и предельное напряжение. На практике желательно иметь, как можно, более высокое выходное сопротивление. Предельное напряжение — это максимальное напряжение на нагрузке, при котором не происходит измене­ния выходного тока. Из закона Ома следует, что для поддержания заданного уровня тока при увеличении сопротивления нагрузки требуется более высокое напряжение. Например, при максимальном импедансе нагрузки Z_L ≈10 кОм и уровне тока i = 10 мА предельное напряжение должно быть не менее 100 В. Далее будут описаны схемы генераторов тока с высоким предельным напряже­нием, в которых уровень выходного токового сигнала задается внешними сиг­налами.

Однополярный токовый генератор называют либо источником тока (в случае вытекающего тока), либо стоком тока (в случае втекающего тока). В этой книге под однополярным токовым генератором подразумевается устройство, выраба­тывающее ток, способный течь только в одну сторону, обычно по направлению к заземлению. Принцип многих генераторов тока основан на использовании вольтамперных характеристик транзисторов. Современные источники тока, уп­равляемые напряжением, часто строятся на ОУ (рис. 5.1 ЗА). В приведенной схе­ме уровень выходного тока i_out задается прецизионным и стабильным резисто­ром R₁ Цепь ОС ОУ поддерживает напряжение на этом резисторе постоянным, что обеспечивает постоянство тока, протекающего через него. Для получения более высокого тока при предельном напряжении падение напряжения на резис­торе R₁должно быть, как можно, меньшим. Фактически, можно считать, что вы­ходной ток равен отношению V₁/R₁

Для улучшения работы схемы необходимо максимально снизить ток, протекающий через базу выходного транзистора. По­этому в этой схеме предпочтительнее использовать полевой, а не биполярный транзистор.

Из теории электротехники известно, что коллекторный ток транзистора по­чти не зависит от напряжения на коллекторе. На этом свойстве транзисторов по­строена схема, часто называемая токовым зеркалом. Такая схема всегда имеет один токовый вход и, по крайней мере, один токовый выход. Характерной особеннос­тью токового зеркала является то, что его выходной ток управляется током на его входе. Входной ток заданного значения подается от внешнего источника. На рис. 5.13Б показана схема, так называемого, токового зеркала Вильсона, в которой входной ток i_in

определяется напряжением V₁и сопротивлением R. Выходной тран­зистор Q₁играет роль резистора, управляемого током, регулирующего величину выходного тока i_out

При этом i_out поддерживается равным i_in. Если в приведенной схеме использовать многоэмитерный транзистор (рис. 5.13В), можно увеличить выходной ток в несколько раз. Кампания Texas Instruments серийно выпускает такую схему, обозначаемую TLC014A. Предельное напряжение схемы TLC014A равно 35 В, а выходное сопротивление варьируется в зависимости оттока в преде­лах 2-200 МОм.

Рис. 5.13.Источники тока: А — на ОУ, Б — токовое зеркало, В — токовое зеркало с ум­ножением тока

(Б)

(В)

На практике часто бывают ситуации, когда фебуются биполярные генераторы тока. Такие генераторы подают на датчик ток возбуждения, который может менять свое направление. На рис. 5.14 показаны схемы инвертирующего и неинвертирую-щего генераторов тока, реализованные на основе ОУ, в которых нафузка включена в цепь ОС. Ток в нафузке Z_L определяется напряжением V₁и резистором R₁и не зависит от импеданса нагрузки. Ток нагрузки в рабочем диапазоне ОУ всегда соот­ветствует напряжению V₁.Существенным недостатком этой схемы является то, что нафузка не подсоединена ни к шине заземления, ни к любому другому опорному потенциалу. Такой способ подключения нагрузки подходит далеко не для всех слу­чаев. Для некоторых датчиков можно применять схему, показанную на рис. 5.14Б, в которой на одном из выводов импеданса нагрузки поддерживается потенциал, близкий потенциалу заземления, поскольку неинвертирующий вход ОУ является виртуальной землей. Тем не менее, даже при таком способе подключения нагрузка остается изолированной от шины заземления, что может усиливать шумы и, следо­вательно, вносимые погрешности.

Глава 5 Интерфейсные электронные схемы

Рис. 5.14.Биполярные генераторы тока с плавающей нагрузкой А — неинвер-тирующая схема, Б — инвертирующая схема

В случаях, когда датчик должен быть обязательно заземлен, можно использо­вать схему токового генератора, разработанного Бредом Холендом (рис 5 15А) Этот генератор реализован на основе ОУ, окруженного цепями положительной и отрицательной ОС Нагрузка в этой схеме включена в цепь положительной ОС [2] Ток через нагрузку определяется следующим выражением

Переменный резистор Р необходим для настройки схемы таким образом, чтобы выполнялось соотношение

В этой схеме каждый резистор может иметь довольно большое сопротивление (100 кОм и даже выше), но величина резистора R₅должна быть сравнительно не­большой Выполнение этого условия позволяет повысить эффективность работы генератора Холенда, поскольку, чем меньше падение напряжения на R₅тем мень­ший ток будет протекать через резисторы R₂ и R₄ Эта схема обладает достаточно высокой стабильностью при работе практически с любой резистивной нагрузкой, но, тем не менее, для увеличения устойчивости генератора рекомендуется вклю­чить в цепь положительной ОС конденсатор С, обладающий емкостью несколько пФ Повысить устойчивость схемы также может конденсатор, включенный между положительным входом ОУ и шиной заземления В случае индуктивной нагрузки для отслеживания быстрых изменений управляющего сигнала может потребовать­ся бесконечно большое предельное напряжение Из-за невозможности выполне­ния этого условия ток на выходе генератора имеет ограниченную скорость нараста­ния К тому же индуктивная нагрузка является причиной возникновения всплес­ков тока на выводах генератора, что может привести к выходу из строя ОУ При

5 3 Схемы возбуждения

работе с большой индуктивной нагруз­кой рекомендуется ставить ограничи­тельные диоды.

На рис. 5.15Б показана схема эффек­тивного токового генератора, реализован­ного на двух ОУ и четырех прецизионных резисторах. Выходной ток такого генера­тора определяется выражением^-

Достоинством этой схемы является воз­можность выбора довольно больших значений резисторов R.

На рис. 5.16 показан токовый гене­ратор, формирующий на выходе посто­янный ток низкого уровня, построен­ный на основе интегральной схемы ис­точника опорного напряжения на 2.5 Б. Источник опорного напряжения управ­ляется выходным током повторителя на­пряжений U₁ Регулятор напряжений поддерживает падение напряжения на резисторе R_s, равным точно 2.5 Б, по­этому ток через этот резистор, а следо­вательно, и через нагрузку будет также постоянным:

Поиск по сайту: