ЯК ПОСИЛИТИ НАПРУГУ ЗМІННОГО СТРУМУ З ВЕЛИКИМ ПОСТІЙНИМ ЗМІЩЕННЯМ ЗА ДОПОМОГОЮ ВИМІРЮВАЛЬНОГО ПІДСИЛЮВАЧА?

ПИТАННЯ: як зменшити підсилення в каскадах вимірювального підсилювача за великої напруги зміщення?

Відповідь: це можна забезпечити шляхом розроблення схеми підсилювача змінного струму з підсиленням в одному каскаді на основі мікропотужного підсилювача зі зворотним зв’язком за струмом.

Загальна постановка проблеми

У таких застосуваннях, як електромагнітні витратоміри або вимірювачі біопотенціалів, диференціальні сигнали малої амплітуди надходять на вхід підсилювача разом із постійним зміщенням високого рівня. Це зміщення зазвичай обмежує допустиме значення коефіцієнта підсилення, яке може забезпечити підсилювач, що, у свою чергу, зменшує динамічний діапазон проєктованого пристрою.

Обмеження підсилення проявляється більшою мірою в підсилювачах із низьковольтним батарейним живленням. Одним із рішень проблеми, пов’язаної з великим зміщенням диференціального вхідного сигналу, є використання в підсилювачі зворотного зв’язку за змінним струмом. Типова схема зі зв’язком за змінним струмом включає традиційний вимірювальний підсилювач із низьким коефіцієнтом підсилення, за яким слідують додаткові каскади підсилення та компенсації зміщення.

Однак у більшості застосувань доцільніше отримати максимально можливе підсилення в першому каскаді підсилення, оскільки це дає змогу зменшити приведений до входу шум наступних каскадів підсилення, охоплених зворотним зв’язком.

Однокаскадний вимірювальний підсилювач на AD8237

У статті показано, як можна реалізувати схему вимірювального підсилювача, яка забезпечує високий коефіцієнт підсилення за змінним струмом в одному каскаді на ІМС мікропотужного вимірювального підсилювача AD8237 з нульовим дрейфом, що має широкий діапазон синфазного та диференціального вхідного сигналу.

Основні переваги цього підсилювача:

• низьке енергоспоживання;

• практично відсутнє обмеження вихідного сигналу, спричинене великим зміщенням, яке є характерним для багатокаскадних вимірювальних підсилювачів;

• мінімальний дрейф підсилення забезпечується за рахунок узгодження зовнішніх резисторів;

• високий КОСС не залежить від ступеня узгодження зовнішніх резисторів;

• високий вхідний імпеданс на вході для зовнішнього опорного джерела.

Спрощену схему вимірювального підсилювача на основі ІМС AD8237 наведено на рис. 1.

Схема, наведена на рис. 1, містить вбудований вимірювальний підсилювач (internal INAMP), до складу якого входять один трансимпедансний підсилювач (TIA) і два узгоджених за коефіцієнтом підсилення операційних підсилювачі (Gm1, Gm2) типу transconductance amplifier, які перетворюють вхідну напругу на струм. У спрощеному вигляді вбудований вимірювальний підсилювач можна подати схемою, наведеною на рис. 2.

Порівняння з традиційною схемою

Наведена на рис. 2 схема вимірювального підсилювача з інвертуванням струму забезпечує більший коефіцієнт підсилення порівняно з традиційним вимірювальним підсилювачем, схема якого наведена на рис. 3.

У цій схемі двокаскадного вимірювального підсилювача зміщення компенсується в другому каскаді. У підсилювачі AD8237 (рис. 1, 2) компенсація зміщення відбувається до підсилення, що дає змогу забезпечити більше підсилення і, як наслідок, збільшити вихідний динамічний діапазон, що є основною перевагою цієї схеми.

Підсилювач (рис. 1, 2) є однокаскадним струмовим підсилювачем. Вхідна напруга подається на вхід підсилювача GM1, який перебуває в прямому ланцюзі вимірювального підсилювача, а підсилювач GM2 знаходиться в контурі зворотного зв’язку. Підсилювач A використовується для керування напругою, що надходить на опорний вхід VREF. Детально робота вузла internal IN-AMP наведена в технічному описі (data sheet) на цей підсилювач. Коефіцієнт підсилення цієї схеми задається зовнішніми резисторами RFB (R2, рис. 1) і RG (R1, рис. 1) та дорівнює:

K = 1+ RFB/RG.

У схемі (рис. 3) з трьома операційними підсилювачами, що має двокаскадну структуру, перші два операційні підсилювачі U1 і U2, резистор RGAIN і резистори R2 та R1 утворюють вхідний підсилювальний каскад. Диференціальний коефіцієнт підсилення першого каскаду задається резистором RGAIN і дорівнює:

K = 1+2R1/RGAIN.

Підсилювач U3 і резистори R3 утворюють диференціальний підсилювач, який підтримує одиничне диференціальне підсилення та забезпечує ослаблення синфазного сигналу. Компенсація зміщення вихідної напруги забезпечується в другому каскаді за допомогою зовнішнього опорного джерела.

Таким чином, перехід від двокаскадної схеми вимірювального підсилювача до однокаскадної схеми дає змогу отримати більше підсилення, а отже, і більший динамічний діапазон вихідного сигналу.

Вибір параметрів підсилювача AD8237

У технічній документації (data sheet) на ІМС AD8237 наведені рекомендації щодо вибору коефіцієнта підсилення K залежно від значень зовнішніх резисторів R1, R2 (рис. 1) і частоти зрізу FСР залежно від коефіцієнта підсилення K. Значення цих параметрів можна вибрати з табл. 1 і 2.

Таблиця 1. Залежність коефіцієнта підсилення K підсилювача AD8237 (рис. 1) від значень опорів зовнішніх резисторів R1, R2

Таблиця 2. Залежність частоти зрізу FСР підсилювача AD8237 (рис. 1) від значення коефіцієнта підсилення K

Модифікована схема з інтегратором

На рис. 4 як приклад наведено модифіковану схему вимірювального підсилювача на основі ІМС AD8237. Порівняно зі схемою, наведеною в технічній документації, вона додатково містить здвоєний операційний підсилювач ADA4505. Операційний підсилювач ADA4505-1 (2/2) використовується в контурі зворотного зв’язку як інтегратор. Вихід підсилювача AD8237 через інтегратор пов’язаний з опорним входом REF, що дає змогу встановити середній рівень вихідної напруги, рівний VMID. Середній рівень формується дільником R1, R2 на неінвертувальному вході ADA4505-2 (1/2).

Інтегратор є фільтром нижніх частот. Оскільки інтегратор увімкнений у ланцюг зворотного зв’язку підсилювача AD8237, уся схема має передавальну функцію фільтра верхніх частот. Завдяки такому рішенню інтегратор блокує зміщення підсилювача AD8237 за постійним струмом, що дає змогу збільшити коефіцієнт підсилення AD8237 до максимально заданого значення, забезпечуючи rail-to-rail вихідний діапазон без спотворення корисного сигналу. Крім того, наявність інтегратора в ланцюгу від’ємного зворотного зв’язку дає змогу підбором ємності C3 регулювати смугу пропускання вимірювального підсилювача в цілому.

Рекомендації розробникам

На завершення наведемо деякі рекомендації розробникам схем вимірювальних підсилювачів на базі ІМС AD8237:

• На неінвертувальному вході підсилювача ADA4505-2 (1/2) забезпечується встановлення необхідного рівня зміщення VMID.

• Для забезпечення максимального розмаху вихідного сигналу між двома шинами живлення (rail-to-rail) оптимальним значенням середнього рівня VMID для більшості вимірювальних підсилювачів є половина однополярного рівня напруги живлення, тобто VDD/2.

• Під час вибору струму споживання дільника R1, R2 необхідно визначити значення опорів його резисторів. Вибір опорів є компромісом між шумом і розсіюваною потужністю підсилювача. У схемі на рис. 4 доцільно вибирати резистори більшого номіналу, щоб мінімізувати додатковий струм споживання.

Додатковий струм споживання I1 дорівнює:

I1 = VDD/(R1+R2).

У резистивний дільник R1, R2 можна ввімкнути конденсатор C1, щоб обмежити рівень шуму та завад у колі живлення. Чим більша ємність конденсатора, тим краща фільтрація шуму, однак при цьому для встановлення рівня VMID на виході підсилювача під час увімкнення живлення потрібен більший час. Розрахунковий час, необхідний для встановлення цього рівня з точністю 1 %, дорівнює:

tset.Vmid = 5R1R2C1/(R1+R2).

Під час вибору номіналів пасивних компонентів (резисторів і конденсаторів) слід враховувати допуски. Через великі допуски на опори дільника (R1, R2) значення VMID може змінюватися, що призведе до зменшення динамічного діапазону вимірювального підсилювача. В ідеальному випадку підсилювач AD8237 забезпечує rail-to-rail рівень вихідного сигналу практично без спотворень.

Якщо вимірювальний підсилювач AD8237 використовується з датчиками з високим імпедансом, на його входи можна ввімкнути буферні каскади, наприклад, на основі ОУ ADA4505.

Слід зазначити, що в технічній документації (data sheet) наведено різні приклади застосування ІМС вимірювального підсилювача AD8237, а також подано графіки АЧХ, КОСС та інших статичних і динамічних характеристик, що дає змогу оптимізувати параметри цього підсилювача для різних застосувань.