КАК УСИЛИТЬ НАПРЯЖЕНИЕ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С БОЛЬШИМ ПОСТОЯННЫМ СМЕЩЕНИЕМ С ПОМОЩЬЮ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО УСИЛИТЕЛЯ?

01.06.2023 |

ВОПРОС: как уменьшить усиление в каскадах измерительного усилителя при большом напряжении смещения?

Ответ: это можно обеспечить путем разработки схемы усилителя переменного тока с усилением в одном каскаде на основе микромощного усилителя с обратной связью по току.

В таких приложениях, как электромагнитные расходомеры или измерители биопотенциалов, дифференциальные сигналы малой амплитуды поступают на вход усилителя вместе с постоянным смещением высокого уровня. Это смещение обычно ограничивает допустимую величину коэффициента усиления, которую может обеспечить усилитель, что, в свою очередь, уменьшает динамический диапазон проектируемого устройства.

Ограничение усиления проявляется в большей мере в усилителях с низковольтным напряжением батарейного питания. Одним из решений проблемы, связанной с большим смещением дифференциального входного сигнала, является использование в усилителе обратной связи по переменному току. Типовая схема со связью по переменному току включает традиционный измерительный усилитель с низким коэффициентом усиления, за которым следуют дополнительные каскады усиления и компенсации смещения.

Однако в большинстве приложений предпочтительнее получить максимально возможное усиление в первом каскаде усиления, поскольку это позволяет снизить приведенный к входу шум следующих каскадов усиления, охваченных обратной связью.

В статье показано, как можно реализовать схему измерительного усилителя, которая обеспечит высокий коэффициент усиления по переменному току в одном каскаде на ИМС микромощного измерительного усилителя AD8237 с нулевым дрейфом, который имеет широкий диапазон синфазного и дифференциального входного  сигнала.

Основные преимущества этого усилителя следующие:

  • низкое энергопотребление
  • практически отсутствует ограничение выходного сигнала, вызванное большим смещением, которое характерно для многокаскадных измерительных усилителей
  • минимальный дрейф усиления обеспечивается за счет согласования внешних резисторов
  • высокий КОСС не зависит от степени согласования внешних резисторов
  • высокий входной импеданс на входе для внешнего опорного источника.

Упрощенная схема измерительного усилителя на основе ИМС AD8237 приведена на рис. 1.

Рис. 1. Схема измерительного усилителя на основе ИМС AD8237

Схема, приведенная на рис. 1, содержит встроенный измерительный усилитель (internal INAMP), в который входят один трансимпедансный усилитель (TIA) и два согласованных по коэффициенту усиления операционных усилителя (Gm1, Gm2) типа transconductance amplifier, которые преобразуют входное напряжение в ток. В упрощенном виде встроенный измерительный усилитель можно представить схемой, приведенной на рис. 2.

Рис. 2. Измерительный усилитель с инвертированием тока

 

Приведенная на рис. 2. схема измерительного усилителя с инвертированием тока обеспечивает больший коэффициент усиления по сравнению с традиционным измерительным усилителем, схема которого приведена на рис. 3.

 

Рис. 3. Традиционная схема измерительного усилителя

В этой схеме двухкаскадного измерительного усилителя смещение компенсируется во втором

каскаде. В усилителе AD8237, рис. 1, 2, компенсация смещения происходит до усиления, что позволяет обеспечить большее усиление и, как следствие, увеличить выходной динамический диапазон, что является основным реимуществом данной схемы. Усилитель, рис. 1, 2, представляет собой однокаскадный усилитель тока. Входное напряжение подается на вход усилителя GM1, который находится в прямой цепи измерительного усилителя, а усилитель GM2 находится в контуре обратной связи. Усилитель A используется для управления напряжением, которое поступает на опорный вход

VREF. Подробно работа узла internal IN-AMP приведена в техническом описании (data sheet) на этот усилитель. Коэффициент усиления этой схемы задается внешними резисторами RFB (R2, рис. 1) и RG (R1, рис. 1). Он равен

K = 1+ RFB/RG.

В схеме, рис. 3, с тремя операционными усилителями, имеющей двухкаскадную структуру, первые два операционных усилителя U1 и U2, резистор RGAIN и резисторы R2 и R1 образуют входной усилительный каскад. Дифференциальный коэффициент усиления первого каскада задается резистором RGAIN и равен

K = 1+2R1/RGAIN.

Усилитель U3 и резисторы R3 образуют дифференциальный усилитель, который поддерживает единичное дифференциальное усиление и обеспечивает ослабление синфазного сигнала. Компенсация смещения выходного напряжения обеспечивается во втором каскаде с помощью внешнего опорного источника. Таким образом, переход от

двухкаскадной схемы измерительного усилителя к однокаскадной схеме позволяет получить большее усиление, а значит, и больший динамический диапазон выходного сигнала.

В технической документации (data sheet) на ИМС AD8237 даны рекомендации по выбору коэффициента усиления K в зависимости от величины внешних резисторов R1, R2 (рис.1) и частоты среза FСР в зависимости от коэффициента усиления K. Значения этих параметров можно выбрать из табл. 1, 2.

Таблица 1. Зависимость коэффициента усиления K усилителя AD8237, рис.1, от величины сопротивлений внешних резисторов R1, R2

K, отн. единицы R2, кОм R1, кОм
2 49.9 49.9
10.09 90.9 10.9
101 100 1
201 200 1

Таблица 2. Зависимость частоты среза Fср усилителя AD8237, рис. 1, от величины коэффициента усиления K

K, отн. единицы FСР , кГц
1 200
10 20
100 2

На рис. 4 в качестве примера приведена модифицированная схема измерительного усилителя на основе ИМС AD8237. По сравнению со схемой, приведенной в технической документации, она дополнительно содержит сдвоенный операционный усилитель ADA4505. Операционный усилитель ADA4505-1(2/2) используется в контуре обратной связи в качестве интегратора. Выход усилителя AD8237 через интегратор связан с опорным входом RЕF, что позволяет установить средний уровень выходного напряжения, равный VMID. Средний уровень формируется делителем R1, R2 на неинвертирующем входе ADA4505-2(1/2). Интегратор является фильтром нижних частот.Так как интегратор включен в цепь обратной связи усилителя AD8237, вся схема имеет передаточную функцию фильтра верхних частот. Благодаря такому решению интегратор блокирует смещение усилителя AD8237 по постоянному току, что позволяет увеличить коэффициент усиления AD8237 до максимального заданного значения, обеспечивая rail-to-rail выходной диапазон без искажения полезного сигнала. Кроме того, наличие интегратора в цепи отрицательной обратной связи позволяет подбором емкости C3 регулировать полосу пропускания измерительного усилителя в целом.

Рис. 4. Схема измерительного усилителя на основе AD8237

В заключение приведем некоторые рекомендации разработчикам схемы измерительных усилителей на базе ИМС AD8237:

  1. По неинвертирующему входу усилителя ADA4505-2(1/2) обеспечивается установка необходимого уровня смещения VMID.
  2. Чтобы обеспечить максимальный размах выходного сигнала между двумя шинами питания (railto-rail), оптимальным значением среднего уровня VMID для большинства измерительных усилителей является половина однополярного уровня напряжения питания, т.е. VDD/2.
  3. При выборе тока потребления делителя R1, R2 необходимо определить значения сопротивлений его резисторов. Выбор сопротивлений является компромиссом между шумом и рассеиваемой мощностью усилителя. В схеме на рис. 4 целесообразно выбирать резисторы большего номинала, чтобы минимизировать дополнительный ток потребления.

Дополнительный ток потребления

I1 равен I1 = VDD/(R1+R2).

В резистивный делитель R1, R2 можно включить конденсатор C1, чтобы ограничить уровень шума и помехи по цепи питания. Чем больше емкость конденсатора, тем лучше фильтрация шума, однако при этом для установки уровня VMID на выходе усилителя при включении питания потребуется больше времени. Расчетное время, необходимое для установки этого уровня с точностью 1%, равно

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

  1. При выборе номиналов пассивных компонентов (резисторов и конденсаторов) следует учитывать допуски. Из-за больших допусков на сопротивления делителя (R1, R2) значение VMID может измениться, что приведет к уменьшению динамического диапазона измерительного усилителя. В идеальном случае усилитель AD8237 обеспечивает rail-to-rail уровень выходного сигнала практически без искажений.
  1. Если измерительный усилитель AD8237 используется с датчиками с высоким импедансом, на его входы можно включить буферные каскады, например, на основе ОУ ADA4505.

Отметим, что в технической документации (data sheet) содержатся различные примеры применения ИМС измерительного усилителя AD8237, а также приведены графики АЧХ, КООС и других статических и динамических характеристик, что позволяет оптимизировать параметры этого усилителя для разных приложений.