Усилитель напряжение для датчика

Понимание и использование усилителей заряда

Усилитель заряда – не самый распространенный тип усилителей, однако в некоторых случаях он может быть очень полезен. По сути, это интегратор тока, напряжение на выходе которого пропорционально интегрированному значению входного тока. Усилитель заряда может быть полезен, когда источник сигнала поступает от датчика, имеющего емкостной характер, например, если это пьезоэлектрический микрофон или гидрофон, или если датчиком служит фотодетектор. Схема усилителя заряда на основе ОУ приведена на Рисунке 1.

Резистор R1 устанавливает режим работы ОУ по постоянному току; без резистора напряжение на выходе ОУ дрейфовало бы вверх или вниз до уровня напряжения одной из шин питания, в зависимости от полярности тока смещения ОУ. Сопротивление резистора должно быть достаточно низким, чтобы обеспечить подходящую рабочую точку ОУ без существенного снижения требуемых характеристик. В то же время, сопротивление должно быть больше, чем импеданс конденсатора C1 на минимальной используемой частоте. Для ОУ с малым током смещения, таких, как КМОП усилители или усилители с полевыми транзисторами на входах, сопротивление резистора, как видно из Рисунка 1, может быть очень большим.

Понятие «усиления» усилителя заряда не вполне очевидно, так как зависит от емкости источника сигнала. Например, емкость гидрофона Brüel & Kjær 8103 составляет 3850 пФ, определяя усиление, равное в данном случае 20•log(3850 пФ/100 пФ), или 31.7 дБ. «Усиление» – не совсем подходящий термин для описания передаточной функции, поскольку выходное напряжение пропорционально заряду датчика. Тем не менее, часто бывает удобнее рассматривать сигнал, как напряжение, которое снимается с определенной емкости, имеющей, соответственно, определенный заряд.

Например, в спецификации гидрофона B&K 8103 заявлена чувствительность 0.12 пКл/Па, а также 30 мкВ/Па. Поскольку емкость составляет 3850 пФ, а чувствительность к заряду должна основываться на соотношении Q = CV, умножим 30 мкВ на 3850 пФ. В результате получим 0.12 пКл – то же значение, которое указывает B&K, то есть, оказывается, что одна и та же величина попросту выражена двумя разными способами.

Динамические характеристики рассматриваемой схемы без учета обратной связи показаны на Рисунке 2.

Усиление, как и ожидалось, составляет 31.7 дБ. Частота среза по уровню 3 дБ определяется ограничениями ширины полосы усиления ОУ. Для моделирования работы усилителя датчик был представлен источником напряжения с последовательно подключенным к нему конденсатором (Рисунок 3).

Моделью датчика так же может служить источник тока с параллельным конденсатором. Такой подход целесообразен в случаях, когда датчиком является обратносмещенный фотодиод.

Частота среза по уровню 3 дБ, определяемая величинами R1 и C1, при использованных нами значениях 50 МОм и 100 пФ, соответственно, равна 31.8 Гц. Если расширить область моделирования до этой частоты, можно увидеть, что частота среза действительно будет такой.

В случае, когда источником сигнала служит фотодиод, мы имеем входной ток только одного направления, поэтому напряжение на выходе усилителя заряда скачком изменится до нового значения, а затем будет медленно возвращаться обратно со скоростью, зависящей от постоянной времени RС-цепи обратной связи. В итоге будет получен импульс, подобный изображенному на Рисунке 4.

Внесенный заряд определяет высоту импульса. В данном случае это отрицательный импульс, поскольку ток инжектируется в инвертирующий вход ОУ. Спад импульса определяется величинами сопротивления резистора и емкости конденсатора в цепи обратной связи. Поэтому при необходимости уменьшить время спада вам следует выбрать резистор с меньшим сопротивлением. Подобная схема и форма выходного импульса полезны в таких устройствах, как дозиметры, где важны как высота импульсов, так и их количество. Нередко между входным каскадом усилителя заряда и измерителем пиковой амплитуды включают дополнительный формирователь импульсов.

Перевод: Дмитрий Скорынин по заказу РадиоЛоцман

Источник

Датчик + инструментальный усилитель с нулевым дрейфом = отсутствие искажений

Первичные измерительные датчики обычно применяются для преобразования изменений некоторой физической величины в изменение электронных параметров датчика, таких как сопротивление или емкость, которые в дальнейшем считываются при помощи мостовых схем. На выходе мостовой схемы получаем сигнал (напряжение или ток), а измерение соотношений (ratiometric) позволяет измерительной системе компенсировать изменения температуры и напряжения питания. В качестве примера первичных датчиков можно привести:

• Термисторы для температурных измерений;
• Резистивные/емкостные тензодатчики для измерения давления;
• Магнито-резистивные датчики для определения направления или положения.

Существует также ряд применений датчиков, в которых важно непосредственное измерение напряжения или тока. Примерами могут служить термопары, медицинские датчики ЭКГ, напряжение на измерительном резисторе в схемах мониторинга питания.

Сфера применения различных датчиков на сегодняшний день достаточно велика, это и бытовая аппаратура (термометры, тонометры, системы GPS), и автомобильное оборудование (датчики топлива, датчики удара, тормозные датчики, датчики положения окон), промышленные и медицинские приборы (датчики положения клапанов, системы контроля температуры, ЭКГ). Датчики работают в условиях электромагнитных помех, сетевых помех, сигнальных помех по питанию и контурам заземления, электростатических разрядов. Как правило, полезный сигнал имеет относительно небольшой уровень. Таким образом, взаимодействие с аналоговыми датчиками является вещью нетривиальной, и, более того, необходимо соблюдение вполне определенных спецификаций, характерных для данной области применения. Для коммерческого успеха средства обработки сигналов с датчиков должны иметь низкую стоимость, небольшие размеры и, в случае устройств с автономным питанием, иметь малое энергопотребление.

Усиливать или не усиливать?

Чаще всего разработчики систем стремятся сократить количество аналоговых сигнальных линий в надежде уменьшить влияние внешних шумов. (Цифровые сигналы в общем случае более устойчивы к влиянию помех). В прошлом длинные аналоговые линии приводили к необходимости последующей обработки сигнала в несколько стадий. Одна стадия, например, включала в себя усиление разностной составляющей сигнала без подавления синфазных помех, другая, наоборот, обеспечивала подавление помех без усиления. Применение двуполярных и высоковольтных источников питания в аналоговых схемах помогало улучшить соотношение «сигнал-шум». Требования к сокращению длины аналоговых линий и использования низковольтового питания для аналоговых схем подстегнуло эволюцию архитектур усилителей для решения этих проблем.

На начальном этапе проектирования часто возникает вопрос: могут ли аналоговый датчик и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) работать напрямую — т.е. без предварительной обработки или усиления сигнала. Такое решение в некоторых случаях позволяет сэкономить не только место на печатной плате, но и потребляемую энергию. К примеру, высокоомные резистивные мостовые схемы вполне могут использовать для своего питания встроенные в АЦП источники опорного напряжения, исключая необходимость подключения внешнего источника.

С другой стороны, применение инструментального усилителя перед подачей сигнала на АЦП может дать следующие преимущества:

• Усиление сигнала непосредственно близ его источника улучшает общее отношение «сигнал-шум» в большинстве приложений, особенно если датчик находится от АЦП на некотором расстоянии;
• Входное сопротивление многих высокопроизводительных АЦП относительно невелико, что требует применения на входе АЦП усилителя с низким выходным сопротивлением для уменьшения потерь и искажений сигнала (вотсутствии усилителя резкие перепады сигнального тока или несогласование сопротивлений может внести существенные искажения в общую картину);
• Внешний усилитель позволяет оптимизировать сигнал, например, при помощи фильтрации;
• Применение инструментального усилителя для интерфейса между датчиком и АЦП может уменьшить общую стоимость системы (для неусиленного сигнала может потребоваться более дорогое АЦП с большим разрешением, особенно если необходимо сохранение высокого быстродействия).

Проблема напряжения смещения нуля на входе

Школьные учебники сильны в описании идеального мира. Все неизвестные в уравнении могут быть найдены, на каждый вопрос найдется ответ. В реальном же мире, чтобы заставить работать аналоговую схему, необходимо провести не один час в лаборатории, в то время как простое и быстрое решение проблемы может находиться совсем в другой плоскости…

Среди множества постоянных ошибок, возникающих при использовании ИУ для усиления сигнала, эффект входного смещения (Uсм) наиболее критичен. Фактически, любая постоянная ошибка может быть смоделирована в терминах Uсм:

• Ксс (коэффициент подавления синфазного сигнала- DC CMRR ) может быть представлен как изменение напряжения смещения при подаче синфазного сигнала;
• Кип (коэффициент подавления изменения напряжения питания- DC PSRR)- может быть представлен как изменение напряжения смещения при изменении напряжения питания.

Даже если Uсм тарировано при изготовлении усилителя, его дрейф (температурный и временной) может быть большей проблемой, чем его начальный уровень сам по себе. Такой дрейф лучше всего компенсировать при помощи некоторых активных схем, интегрированных в микросхему.

Один из наиболее важных источников динамической ошибки в схемах (кроме внешних факторов) — это шум, зависящий от схемных решений производителя и особенностей технологического процесса. Поскольку в основном сигнал датчика усиливается блоком с высоким коэффициентом усиления, величина входного шума увеличивается соответственно. В основном шум представлен двумя формами: «розовый» шум (иначе называемый шум 1/f) и «белый» шум.

Розовый шум наиболее критичен на низких частотах (

Источник

Практическое использование инструментальных (измерительных) усилителей

В данной статье приводится базовый обзор инструментальных (измерительных) усилителей, за которым следуют несколько реальных применений, в которых можно найти эту схему.

Зачем использовать инструментальные усилители?

Когда я учился в колледже, один из моих преподавателей сравнил работу инженера-электронщика с разнорабочим с поясом с инструментами, набитым оборудованием. Успешный разнорабочий будет стремиться иметь широкий набор инструментов и знать, как и когда использовать каждый из них. Точно так же инженер-электронщик имеет свой «пояс с инструментами» из знаний и применений компонентов, схемотехники и способов решения задач. Столкнувшись с задачей, успешный инженер будет знать, какие инструменты использовать для достижения цели проектирования.

Один из таких инструментов, который должен иметь каждый инженер, – это инструментальные (или измерительные) усилители. Инструментальные усилители играют жизненно важную роль во многих областях электротехники; все, от промышленной автоматики для тяжелых условий эксплуатации до прецизионных медицинских устройств, используют инструментальные усилители в своих интересах. Прежде чем мы перейдем ко всем применениям, мы должны кратко рассмотреть конструкцию инструментальных усилителей, и почему их нужно использовать вместо обычных операционных усилителей, которые обычно дешевле.

Давайте сначала взглянем на классическую схему дифференциального усилителя:

Рисунок 1 – Дифференциальный усилитель

Такой конфигурации может быть достаточно для некоторых дифференциальных применений; он может усиливать сигнал с измерительного моста и иметь хороший CMRR (КОСС, коэффициент ослабления синфазного сигнала), но у него есть несколько проблем. Во-первых, мы можем ясно видеть, что входные импедансы не приближаются к бесконечности; фактически входное сопротивление на инвертирующем входе относительно низкое. Входные сопротивления в этой схеме не совпадают, и иногда входные сопротивления инвертирующего и неинвертирующего входов могут сильно различаться. Эта схема также требует очень тщательного согласования резисторов и согласования с импедансом источника. Мы, конечно, могли бы увеличить входной импеданс, сделав резисторы обратной связи очень большими, но при номинале 1 МОм для резисторов R1 и R2 потребуется, чтобы R3 и R4 были равны 100 МОм для достижения коэффициента усиления хотя бы 100; а для очень слабых сигналов обычно требуется больший коэффициент усиления. Использование резисторов большого номинала также создает новые проблемы. Резисторы с большим сопротивлением создают шум, и их очень сложно подобрать с высокой точностью; кроме того, резисторы большого номинала могут вызвать появление паразитной емкости, которая отрицательно скажется на CMRR на высоких частотах.

Решением было бы использовать перед каждым входом неинвертирующие буферы, но мы всё равно хотели бы добиться более высокого коэффициента усиления. Взгляните на инструментальный усилитель, показанный ниже.

Рисунок 2 – Инструментальный усилитель

Два буферных усилителя обеспечивают практически бесконечное входное сопротивление и усиление, а дифференциальный усилитель обеспечивает дополнительное усиление и несимметричный выход. В результате получается схема с очень высоким CMRR, высоким коэффициентом усиления и входным сопротивлением порядка 10 10 Ом.

Применение в измерениях

Одно из применений этих схем – измерение сигналов датчиков и преобразователей. Инструментальные усилители превосходно извлекают очень слабые сигналы из шумной среды; поэтому они часто используются в схемах, в которых используются датчики, измеряющие физические параметры. Для измерения давления тензодатчики часто используются с инструментальными усилителями, поскольку тензодатчики обычно «висят в воздухе», то есть они не имеют прямого соединения с землей. А инструментальный усилитель может усиливать сигналы без привязки к земле, потому что он усиливает только разницу между двумя входами. Тензодатчики часто используются в схеме моста Уитстона, который является очень распространенным примером формирования дифференциального сигнала без привязки к земле; данная схема изображена ниже, где R2 – изменяющийся элемент, создающий дифференциальное напряжение между узлами C и B.

Со схемой инструментального усилителя можно работать практически с любым датчиком; термопары, фотодиоды, термисторы, даже обычный кремниевый диод можно использовать в качестве простого датчика температуры, поместив его в схему моста, создающую входной сигнал для инструментального усилителя. Когда диод нагревается, прямое напряжение падает, создавая дифференциальный сигнал, который можно усилить. Причина, по которой схема моста так важна для датчиков и приборов, – это синфазный шум; схема с обычным операционным усилителем и датчиком на его входах будет работать как усилитель, но будет очень шумной. По этой причине инструментальные усилители так часто используются перед входами АЦП. Любой PIC-контроллер или Arduino имеет входы, которые можно настроить как аналоговые входы, но это несимметричные входы, которые не могут ослаблять синфазные сигналы. Инструментальный усилитель может извлекать и усиливать слабые сигналы датчиков из зашумленной среды и подавать чистый несимметричный выходной сигнал на АЦП. Это важно при работе с микроконтроллерами, так как любой дополнительный шум вызовет неустойчивое преобразование в дополнение к потере ценных битов АЦП.

Применение в биомедицине

Если к вам в больнице когда-либо подключали какое-либо электронное оборудование для снятия с вас показаний, то вы были подключены к датчикам, управляемым инструментальным усилителем. Схемы инструментальных усилителей находят широкое применение почти в каждом медицинском устройстве, как из-за вышеупомянутых преимуществ, так и из-за того, что инструментальные усилители также являются прецизионными усилительными устройствами.

Для инструментальных усилителей не требуются внешние резисторы обратной связи; вместо этого они содержат резисторы, изготовленные в самой микросхеме с использованием лазерной подгонки, и используют только один внешний настроечный резистор для настройки коэффициента усиления, что избавляет от несовпадения номиналов резисторов. Это позволяет устройству устанавливать точное значение коэффициента усиления в зависимости от требований схемы. Большинство биомедицинских датчиков, такие как датчики артериального давления, ультразвуковые преобразователи, поляризованные и неполяризованные электроды и датчики радиационной термометрии, имеют очень высокий импеданс и генерируют очень слабые сигналы.

Эти датчики требуют очень высокого импеданса, обеспечиваемого инструментальным усилителем, поскольку характеристики биопотенциальных электродов могут подвергаться воздействию нагрузки, что может вызвать искажение сигнала. Кроме того, усилители должны иметь высокий уровень подавления шума; больницы – одна из самых шумных сред, в которых датчик должен будет работать, с сотнями беспроводных устройств, работающих поблизости, и постоянно присутствующим фоном 50 Гц от света и электросети. Эти неустойчивые шумовые сигналы часто на несколько порядков больше, чем сигнал от биопотенциального электрода, который сам по себе составляет всего несколько милливольт. Легко узнаваемое медицинское применение таких усилителей – это электрокардиографы или аппараты ЭКГ, которые отслеживают изменения в дипольном электрическом поле сердца. Ниже приведен пример применения инструментального усилителя Analog Device серии AD82X в ЭКГ из руководства по применению.

Рисунок 4 – Применение инструментального усилителя Analog Device серии AD82X в ЭКГ

Все три инструментальных усилителя снимают разность сигналов с электродов датчиков, а последний электрод «F» действует как земля. Для этого устройства используются измерительные усилители, поскольку биопотенциальные электроды улавливают огромное количество шума от линий электросети, который необходимо ослаблять, чтобы устройство могло давать точные показания.

Применение в промышленности

Инструментальные усилители также находят применение в промышленной автоматизации, где многие системы используют электрический ток для пороговых измерений и удаленного управления системами. В начале двадцатого века промышленные комплексы использовали давление воздуха для удаленного управления машинами, используя 3-15 фунтов на квадратный дюйм в качестве полного диапазона, где давление 3 фунта на квадратный дюйм представляют 0%, система включена, а давление 15 фунтов на квадратный дюйм – 100%. Всё, что меньше 3 фунтов на квадратный дюйм, означало, что система отключена или нестабильна, и вызывало тревогу. Сейчас промышленным стандартом является использование постоянного тока, аналогичного давлению воздуха, с диапазоном от 4 до 20 мА. Между прочим, если вы когда-нибудь задумывались, что это за кнопка на многих наших мультиметрах с надписью «4-20 мА», теперь вы знаете. В этом применении ток измеряется так, чтобы два удаленно подключенных устройства могли обмениваться данными, даже если у них разные заземления. Чтобы это работало, выходной усилитель линии передачи должен работать очень линейно по отношению к входному сигналу и подавлять любые помехи, вызванные несовпадением потенциалов земель; идеальный кандидат для этого – инструментальный усилитель. Ниже представлена упрощенная схема измерительного усилителя, используемого в этом применении, – схема, известная как передатчик токовой петли.

Рисунок 5 – Передатчик токовй петли

На этом рисунке U1 представляет линию передачи с потерями, а R2 – устройство на приемной стороне, которое преобразует ток в некоторую команду или значение измерения.

В дополнение к этому применению в промышленности, контроллеры больших двигателей также включают в себя измерительные усилители. Обычно используемые для измерения тока в H-мосте, входы инструментального усилителя, не имеющие привязки к земле, идеально подходят для драйверов двигателей, поскольку двигатели обычно электрически не связаны с землей.

Заключение

Инструментальные усилители используются почти во всех областях электроники; они выполняют важную роль в схемах, нуждающихся в преимуществах высокого входного импеданса с хорошим коэффициентом усиления, обеспечивая при этом подавление синфазных помех и полностью дифференциальные входы. С таким широким распространением это устройство должно быть в арсенале инструментов у каждого инженера.

Источник