|
|
|
УСИЛИТЕЛИБольшинство пассивных сенсоров обладают очень слабыми выходными сигналами. Их величина часто не превышает нескольких микровольт или пикоампер. С другой стороны входные сигналы стандартных электронных устройств обработки данных, таких как АЦП, частотные модуляторы, различные регистраторы и т.д. должны быть гораздо выше: порядка вольт или миллиампер. Поэтому для подключения сенсоров к таким устройствам требуются промежуточные усилители с коэффициентами усиления по напряжению до 10 000, а по току до 1 000 000. Усилители, как правило, являются одной из составных частей интерфейсных схем. КОСС показывает насколько эффективно ОУ подавляет синфазные сигналы одинаковой амплитуды VCM, одновременно поданные на оба входа Низким коэффициентом собственного шума Широким рабочим частотным диапазоном Низкой чувствительностью к помехам по шине питания Высокой стабильностью характеристик при изменении параметров окружающей среды 
Рис. 5.5. А — основное символьное обозначение ОУ, Б — зависимость
коэффициента усиления ОУ от частоты
Для получения более подробной информации и рекомендаций по
применению ОУ рекомендуется обращаться к специализированным справочникам, в которых
даны подробные описания характеристик каждого типа выпускаемых ОУ. Часто в
такой литературе ОУ сгруппированы по следующим критериям: ОУ с низким
напряжением смещения, ОУ с низким током смещения, малошумящие ОУ и т.д.
На рис. 5.5А отображен ОУ без цепи ОС. Такой усилитель часто
называют ОУ с разомкнутым контуром ОС. В справочниках приводятся значения
коэффициентов усиления ОУ без ОС, которые не являются постоянными во всем
частотном диапазоне. Зависимость этих коэффициентов от частоты отображена на рис. Существует несколько стандартных схем усилителей для подключения различных
типов сенсоров, реализованных на дискретных компонентах: транзисторах, резисторах,
конденсаторах и катушках индуктивности. Но в настоящее время чаще всего
используются усилители, построенные на основе ОУ и пассивных дискретных
компонентах.
рекомендуется понимать, что назначение усилителей не
ограничивается только функцией увеличения амплитуды сигнала. Они могут также
использоваться для согласования устройств по импедансу, для улучшения
соотношения сигнал/шум, в качестве фильтров и изоляторов между входами и
выходами.
Операционные усилители Составной частью практически всех современных усилительных схем являются операционные усилители (ОУ), которые могут быть интегрированными (монолитными) или гибридными (состоящими из монолитных и дискретных частей). В состав интегрированного ОУ входят сотни транзисторов, резисторов и конденсаторов. Разработчики аналоговых устройств, меняя подключение дискретных компонентов к выводам ОУ, реализовали большое количество полезных схем (не только усилительных). На основе ОУ строятся специализированные ИС, часто называемые интегральными схемами прикладной ориентации (ASIC). В последующих разделах будут приведены типовые схемы интерфейсных устройств, реализованные на ОУ, часто применяемые для подключения различных сенсоров. На рис. 5.5 отображено схематичное представление ОУ. Типовой ОУ, как правило, обладает следующими характеристиками: • Двумя входами: инвертирующим (-) и неинвертирующим (+) • Высоким входным сопротивлением (порядка сотен МОм и даже ГОм) • Низким выходным сопротивлением (доли Ома) • Способностью работать с емкостной нагрузкой • Низким входным напряжением смещения е0 (несколько мВ и даже мкВ) • Низким входным током смещения i0 (несколько пА и даже меньше) • Очень высоким коэффициентом усиления при разомкнутой цепи обратной связи (ОС) A0L (104 ...106 и даже выше). Этот коэффициент показывает во сколько раз ОУ увеличивает разность напряжений между двумя входами. Высоким коэффициентом ослабления синфазного сигнала (КОСС). 5.6А отображен неинвертирующий усилитель. В этом усилителе цепь ОС сформирована двумя резисторами. Результирующий коэффициент будет постоянным в более широком частотном диапазоне (см. рис. 5.5Б), но ограничивающая частота fx останется такой же, как и в ОУ без ОС. Глубина ОС определяет такие параметры этой схемы, как линейность, стабильность коэффициента усиления и выходной импеданс, которые теперь в основном зависят от характеристик компонентов ОС. Для получения высокой точности необходимо обеспечить выполнение следующего правила: коэффициент усиления ОУ без ОС должен быть, по крайней мере, в 100 раз больше коэффициента усиления ОУ с ОС на самой высокой рабочей частоте. Для более высокой точности это отношение должно быть равно 1000 и даже больше. 
Рис. 5.6. А — неинвертирующий усилитель, Б — генераторы,
подсоединенные ко входам ОУ, представляют напряжения и токи смещения
ОУ усиливают не только полезные сигналы, но и паразитные напряжения и токи, попадающие на их входы (рис. 5.6Б). Поэтому в справочной литературе для них обычно приводятся технологические допуски на значения токов и напряжений смещения. Из-за напряжений и токов смещения выходной сигнал интерфейсной схемы при нулевом входном сигнале практически никогда не бывает равным нулю. В схемах, работающих с постоянными или медленно меняющимися сигналами, серьезной проблемой является освобождение полезного сигнала от этих нежелательных компонентов. На практике величину напряжения смещения регулируют двумя способами: непосредственно на ОУ (если в нем предусмотрены регулировочные выводы) или при помощи независимых внешних компенсационных цепей. Величину выходного напряжения смещения можно определить из выражения: 
Величина смещения тока и напряжений зависит от температуры. 5.5Б. На значения коэффициентов усиления ОУ также влияют сопротивление нагрузки, температура окружающей среды и флуктуации напряжения питания. Для многих ОУ без ОС температурная чувствительность коэффициента усиления составляет порядка 0.2...1%/°С, а чувствительность к изменению напряжения питания — порядка 1%. ОУ без ОС практически никогда не используются, поскольку высокий коэффициент усиления приводит к нестабильной работе схемы, сильному температурному дрейфу характеристик, повышенному шуму и т.д. к примеру, при коэффициенте усиления ОУ без ОС, равном 105, входной дрейф напряжения в 10 мкВ вызовет дрейф выходного напряжения порядка 1 В. Произведение коэффициента усиления на ширину полосы пропускания характеризует способность ОУ усиливать высокочастотные сигналы малой амплитуды. Это произведение равно частоте fv при той коэффициент усиления ОУ становится равным 1, т.е. ОУ перестает усиливать сигнал. На рис. В схемах, где ОУ работает с крупным коэффициентом усиления, выходное напряжение смещения может служить источником серьезных погрешностей. Существует несколько способов решения этой проблемы. Одним из них является выбор ОУ с низким значением тока и напряжения смещения, а также высоким входным сопротивлением. 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
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 Л 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 R — 0). Для отображенного на рисунке ИУ
коэффициент усиления равен 100. Но всегда рекомендуется 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 рекомендуется 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
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. к примеру, 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. рекомендуется 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 сенсоров, 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 отображена принципиальная схема УЗ. В цепи ОС ОУ стоит конденсатор С, сопротивление утечки того г должно быть значительно крупным его импеданса на самой низкой рабочей частоте. Для эффективного снижения напряжения смещения также применяются усилители постоянного тока с модуляцией и демодуляцией сигнала. Повторители напряжения Назначение повторителя напряжений (рис. 5.7) — преобразование импеданса от высокого уровня к низкому. Повторитель, как правило, обладает высоким входным импедансом (высоким входным сопротивлением и низкой входной емкостью) и низким выходным сопротивлением (выходная емкость не имеет никакого значения). Хороший повторитель имеет близкий к единице коэффициент усиления по напряжению (обычно 0.999 на низких частотах) и высокий коэффициент усиления потоку. По существу, повторитель напряжения является усилителем тока и преобразователем импеданса. Высокий входной и низкий выходной импеданс повторителей делает их незаменимыми элементами при согласовании сенсоров с устройствами обработки сигналов. Повторитель, подключенный к выходу датчика, не оказывает практически никакого влияния на работу последующих цепей, поэтому его часто называют буферным устройством между сенсором и нагрузкой. При разработке повторителей рекомендуется придерживаться следующих рекомендаций: • При подключении к датчикам с токовым выходом входной ток смещения повторителя должен быть, по крайней мере, в 100 раз меньше тока датчика • Если невозможно полностью компенсировать входное напряжение смещения, оно не должно превышать величину младшего значащего разряда (МЗР) • Температурный коэффициент тока и напряжения смещения не должен приводить к появлению погрешности, превышающей 1 МЗР во всем температурном диапазоне 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. Измерительные усилители могут быть реализованы на основе ОУ по интегральной или гибридной технологиям. Важным свойством ИУ 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 отображена наиболее часто
используемая схема ИУ. Падение напряжения на резисторе Ra настраивается равным
входной разности AV, тогда ток, протекающий через него, будет равен: 1= AV/R. 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:
В случаях, где требуется очень высокая точность
преобразований, может применяться специальный гибридный предусилитель заряда,
примером того 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.
Многие датчики могут быть представлены в виде конденсаторов. для работы им требуется сигнал возбуждения. Другая часть емкостных сенсоров
являются пассивными устройствами, напрямую преобразующими внешнее воздействие в
электрический заряд или ток. Примерами таких сенсоров могут быть
пьезоэлектрические и пироэлектрические детекторы. Существуют также неемкостные
датчики, которые можно рассматривать как генераторы тока. Фотодиод — представитель
этой подгруппы.
Датчик с токовым выходом можно представить в виде
сопротивления утечки г, соединенного параллельно с генератором тока, обладающим
бесконечно крупным внутренним сопротивлением (рис. 5.11). Датчик вырабатывает
ток /, который может течь в двух направлениях: через сопротивление г внутри
датчика (ток ;'0) и через интерфейсную схему с входным импедансом ZL (ток im). Часть емкостных сенсоров, таких как микрофоны, емкостные датчики силы и
давления, а также детекторы влажности, являются активными устройствами, т.е. 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 крупным коэффициентом усиления, что может привести к возникновению колебаний. Это особенно важно помнить при использовании сенсоров с низким сопротивлением утечки. Преимуществом схем с виртуальной землей является независимость выходного сигнала от емкости датчика. Напряжение на выходе такой схемы сдвинуто по фазе на 180° по отношению к току. На рис. 5.12А отображена неинвертирующая схема преобразователя тока в напряжение, быстродействие той определяется как емкостью датчика, так и величиной резистора Rv Реакцию 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). Поскольку ток /0 по своей сути является паразитным, рекомендуется стремиться к тому,
чтобы сопротивление утечки датчика было намного больше импеданса интерфейса.
Из закона Ома рекомендуется, что для преобразования электрического
тока iml 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 отображена принципиальная схема преобразователя тока в
напряжение, в той 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. Благодаря высокому коэффициенту усиления ОУ, напряжения на инвертирующем и
неинвертирующем входах усилителя практически равны друг другу. Резисторы формируют
резистивный делитель, напряжение на котором определяется следующим
соотношением:
Зная падение напряжения на резисторе Rb, можно найти ток,
протекающий через него:
Из этого уравнения получим зависимость входного напряжения
от входного тока и сопротивлений:
Из последнего выражения видно, что значение резистора Кь как
бы увеличивается в (l+Rj/R) раз. Это значит, что если Rb = 10 МОм, эта схема
является виртуальным сопротивлением 50 МОм. Однако такой умножитель
сопротивлений рекомендуется применять очень аккуратно, поскольку нельзя забывать, что
шумы, ток и напряжение смещения будут усиливаться в такое же (1+Ri/Rl) 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.
.
Информация исключительно в ознакомительных целях. При использовании материалов этого сайта ссылка обязательна.Правообладатели статей являются их правообладателями. |
По вопросам размещения статей пишите на email:
|
