Усилители сигналов датчиков тока

В статье пойдет речь о микросхемах, которые используются для усиления сигналов с датчиков. Это краткий обзор перевода статьи. Полностью статью можно прочитать в журнале «Новости электроники» №3 2011г Прашант Холенарсипур (Maxim) . Я постарался выбрать главное из всей переведенной статьи применительно к проблемам усиления напряжения с датчика тока.

Мне хотелось бы донести для радиолюбителей, занимающихся цифровыми приборами, насколько порой не просто добиться приемлемых результатов от самодельных измерительных приборов, тем более с использованием дешевых микросхем. Многие радиолюбители сталкиваются с проблемами нелинейности показаний прибора. С проблемами помех и зашумленности сигналов с датчиков тока. Это проявляется в постоянной смене цифр в младшем разряде индикатора. С проблемами нестабильности показаний прибора по времени, с температурной нестабильностью показаний.

Существуют датчики, в которых важно непосредственное измерение напряжения. Примерами могут служить резистивные датчики тока, падение напряжения на которых необходимо усилить для нормальной работы АЦП. 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, необходимо соблюдение вполне определенных условий, характерных для данной области применения.

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 биполярных и высоковольтных источников питания в аналоговых схемах помогало улучшить соотношение «сигнал-шум». Требования к сокращению длины аналоговых линий и использования низковольтного 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. С другой стороны, применение инструментального усилителя перед подачей сигнала на АЦП может дать следующие преимущества:
1. Усиление сигнала непосредственно близ его источника улучшает общее отношение «сигнал-шум» в большинстве схем, особенно если датчик находится от АЦП на некотором расстоянии;
2. Входное сопротивление многих высокопроизводительных АЦП относительно невелико, что требует применения на входе АЦП усилителя с низким выходным сопротивлением для уменьшения потерь и искажений сигнала (в отсутствии усилителя резкие перепады сигнального тока или несогласование сопротивлений может внести существенные искажения в общую картину);
3. Внешний усилитель позволяет оптимизировать сигнал, например, при помощи фильтрации;
Применение инструментального усилителя (ИУ) для интерфейса между датчиком и АЦП может уменьшить общую стоимость системы (для не усиленного 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:
1. Ксс (коэффициент подавления синфазного сигнала- DC CMRR) может быть представлен как изменение напряжения смещения при подаче синфазного сигнала;
2. 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 или фликкер-шум) и белый шум.
Розовый шум наиболее критичен на низких частотах (<100 Гц или близких к ним), белый шум существенен для широкополосных усилителей. Так как большинство инструментальных усилителей ориентировано на низкочастотные сигналы, основное внимание в статье будет уделено именно розовому шуму. Традиционно во входных каскадах малошумящих усилителей применяются биполярные транзисторы, особенно, если важно снизить уровень именно розового шума. Одной из причин возникновения розового шума является рекомбинация носителей заряда на поверхностных дефектах полупроводниковых структур, таким образом, КМОП-схемы принципиально обладают более высоким уровнем шума, чем биполярные.

Классический инструментальный усилитель
против новой архитектуры с косвенной обратной связью по току

Традиционная схема инструментального усилителя содержит три операционных усилителя (ОУ), объединенных в двухкаскадную схему (рис. 1) – два ОУ для входного и один для выходного каскада. Входной каскад обеспечивает дифференциальное усиление сигнала, единичное усиление синфазного сигнала и высокое входное сопротивление. Выходной дифференциальный сигнал поступает на выходной каскад с высоким коэффициентом подавления синфазного сигнала. Инструментальные усилители, построенные по такой схеме, работают достаточно хорошо во многих схемах, но ее простота скрывает два существенных недостатка: ограниченный диапазон синфазных входных напряжений и ограниченный коэффициент динамического подавления синфазного сигнала.

Схемотехническое решение ИУ, основанные на трех ОУ допускает выход в насыщение усилителей первого каскада (А1 и А2) при определенной комбинации входных синфазного и дифференциального напряжения. В этом состоянии ИУ уже не способен к подавлению синфазной составляющей сигнала.

Синфазное напряжение может иметь значение, близкое к потенциалу общего провода (земли), что не входит в допустимый диапазон. В некоторых случаях (например, измерение тока потребления по падению напряжения на измерительном резисторе, включенном между полезной нагрузкой и общим проводом) невозможно использовать ИУ, созданные по схеме на трех ОУ, поскольку синфазное напряжение практически совпадает с нулевым потенциалом общего провода. ИУ на трех ОУ достигают высоких значений статического подавления синфазного сигнала благодаря совпадению с высокой точностью номиналов сопротивлений вокруг дифференциального усилителя. Обратная связь в таких ИУ может существенно ухудшить динамические показатели подавления синфазной составляющей. Для преодоления этого и ряда других недостатков была разработана альтернативная архитектура ИУ. Например, использование двух управляемых проводимостей gM (2-gM) в цепях косвенной обратной связи по току (рис. 2) приводит к значительным успехам.

Архитектура 2-gM основана на двух идентичных усилителях тока, управляемых напряжением (усилители крутизны), и усилителе с высоким коэффициентом усиления. Поскольку оба усилителя тока практически идентичны и имеют одинаковую проводимость gM, то они генерируют на своих дифференциальных входах одинаковое напряжение, а выходное напряжение определяется соотношением номиналов резисторов в делителе Rf/Rg. Постоянное выходное напряжение сдвига задается напряжением на выводе REF. Преобразование напряжения в ток, осуществляемое входным токовым усилителем gM, по сути исключает синфазное напряжение, обеспечивая ему высокие статический и динамический коэффициенты подавления синфазного сигнала.

Косвенная обратная связь по току позволяет усилителю обеспечивать диапазон выходных сигналов, практически равный размаху питающих напряжений даже в случае, когда входное синфазное напряжение равно напряжению отрицательного источника питания. Таким образом, он обеспечивает диапазон, недостижимый традиционной схемой на трех ОУ. Компания Maxim предлагает ИУ с архитектурой 2-gM. Это, например, микросхемы MAX4460/MAX4461/MAX4462 и MAX4208/MAX4209.

Технологии компенсации входного смещения – «как приручить дрейф»?

Как упомянуто выше, наиболее важными характеристиками для ИУ являются розовый шум (шум 1/f, фликкер-шум), входное напряжение смещения Uсм и его дрейф (температурный и временной). Поскольку основное влияние розового шума проявляется на низких частотах, используется множество техник обеспечения нулевого входного смещения, а заодно и компенсации розового шума. Среди способов обеспечить нулевое входное смещение обычно применяются следующие: усилители с выборкой сигнала, усилители постоянного тока с модуляцией и демодуляцией сигнала, усилители с автоматическим обнулением, усилители с автоматическим обнулением и расширением спектра (например, MAX4208).
К примеру, усилители с выборкой сигнала используют плавающую емкость, подключенную к ИУ для автоматической коррекции напряжения входного смещения. Поскольку вход с выборкой не может считаться достаточно высокоомным, результирующая ошибка системы может быть скомпенсирована внесением несоответствия в сопротивление датчика, что и реализуется в несбалансированных мостовых схемах.
Измерение тока потребления схемы

Потребность в схемах активного управления питанием в современных портативных устройствах привела к возобновлению интереса к применению усилителей для измерения тока. ИУ может быть использован (рис. 3) в датчике тока с шунтом, включенным между источником питания и модулем памяти или микропроцессором, или для измерения тока в возвратной цепи Н-моста преобразователя напряжения.

Большие токи в данных системах предполагают, что измерительное сопротивление должно быть очень мало для уменьшения излишнего рассеивания на нем мощности. Для корректной работы входное напряжение смещения усилителя должно быть много меньше, чем минимальное измеряемое напряжение (соответствующее минимальному измеряемому току), и точность усиления напряжения должна быть достаточно высока. Для подобных целей подойдет ИУ MAX4208 с ультранизким напряжением смещения, большим коэффициентом подавления синфазного сигнала и однополярным питанием.

Заключение

Исходя из многообразия способов, применяемых для решения проблем входного смещения, его дрейфа и розового шума, видно, что новые сферы применения требуют постоянного поиска путей реализации идеального инструментального усилителя. Более того, понимание особенностей и требований каждой конкретной задачи, нюансов технологии инструментального усилителя позволят полностью использовать потенциал схемы, заложенный разработчиками.

Стоимость микросхемы MAX4208 в разных магазинах сильно разнится, но рублей за 200 ее можно приобрести. Прочитав эту статью, об LM358 можно забыть. Удачи и успехов. К.В.Ю.

Скачать статью