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 Raнастраивается 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.
выход
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 Ra, 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 Ra) до значения коэффициента усиления ОУ без ОС (когда Ra=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 Сг 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 Ra, 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.
Рис. 5.11.Эквивалентная схема датчика с токовым выходом
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 ZL(ток iout.)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 ioutв 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 Rb (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 У2на котором определяется следующим соотношением:
Зная падение напряжения на резисторе Rb, 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 Кькак бы увеличивается в (1+R3/R1)раз. Это значит, что если Rb= 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 ZL≈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 iout задается прецизионным и стабильным резистором R1Цепь 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 iin
определяется напряжением V1и сопротивлением R. Выходной транзистор Q1играет роль резистора, управляемого током, регулирующего величину выходного тока iout
При этом iout поддерживается равным iin. 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.
5.3. Схемы возбуждения 189
out
сигнал управления Т/
out
out
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 ZLопределяется 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 R2и R4Эта 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 Rs, равным точно 2.5 Б, поэтому ток через этот резистор, а следовательно, и через нагрузку будет также постоянным: