Датчик + инструментальный усилитель с нулевым дрейфом = отсутствие искажений

21 апреля 2011

 

 

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 (<100 Гц или близких к ним), белый шум существенен для широкополосных усилителей (рис. 1). Так как большинство инструментальных усилителей ориентировано на низкочастотные сигналы, основное внимание в статье будет уделено именно розовому шуму.

 

Плотность шума в полупроводниковых устройствах

 

Рис. 1. Плотность шума в полупроводниковых устройствах

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, и более высокой частотой излома. (Частоту, на которой плотность розового шума совпадает с плотностью белого шума, называют частотой излома спектральной плотности шума).

Большинство измерительных датчиков обладают достаточно высоким выходным сопротивлением, что вынуждает использовать инструментальные усилители с КМОП-транзисторами на входе. Может показаться, что подобное решение приведет к повышению уровня низкочастотных шумов. К счастью, технология обеспечения нулевого дрейфа, которая постоянно отслеживает изменения уровня входного смещения, имеет тенденцию к нейтрализации розового шума.

 

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. 2) — 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 приложениях, но ее простота скрывает два существенных недостатка: ограниченный диапазон синфазных входных напряжений и ограниченный коэффициент динамического подавления синфазного сигнала.

 

Классический инструментальный усилитель на трех ОУ

 

Рис. 2. Классический инструментальный усилитель на трех ОУ

ИУ, основанные на трех ОУ, страдают ограничением проходной характеристики (рис. 3). Их схемотехническое решение 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.

 

Ограничения проходной характеристики ИУ при различных уровнях входного синфазного сигнала

 

Рис. 3. Ограничения проходной характеристики ИУ при различных уровнях входного синфазного сигнала

В технической документации к ИУ указывается диапазон возможных синфазных входных сигналов в формате Uпит — Uвых. Поскольку выходное напряжение ИУ есть не что иное, как усиленное дифференциальное, оси координат на рис. 3 вполне можно переименовать во «Входное синфазное напряжение» и «Входное дифференциальное напряжение». Площадь внутри шестиугольника на графике, выделенная серым, обозначает область допустимых значений, в пределах которых выходы ОУ А1 и А2 не находятся в насыщении.

График на рис. 3 имеет большое значение для схем с однополярным питанием. 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. 4) приводит к значительным успехам.

 

Структура ИУ с использованием косвенной обратной связи по току

 

Рис. 4. Структура ИУ с использованием косвенной обратной связи по току

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 операций, недостижимый традиционной схемой на трех ОУ. Компания Maxim предлагает ИУ архитектуры 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). Упомянутые выше способы подробно описаны в литературе [1-6], и каждый из них обеспечивает различные комбинации требуемой ширины полосы пропускания, шума переключения, точности компенсации входного смещения.

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.

 

Примеры приложений

 

В данном разделе рассматривается два применения ИУ: усилитель с измерением соотношений (ratiometric) и измеритель тока потребления по падению напряжения на измерительном резисторе.

 

Логометрический мост

 

Одним из вариантов мостовых схем является схема логометрического моста, которая при низкой стоимости обеспечивает высокую точность измерений. Низкая стоимость подобных схем объясняется отсутствием необходимости в прецизионном источнике питания для самого моста и во входе опорного напряжения АЦП — возможно использование одного источника питания для усилителя, моста и АЦП.

Хорошо известно, что даже ОУ с выходным «rail-tо-rail» сигналом имеет проблемы с обеспечением точности, когда уровень выходного сигнала отличается от одного из напряжений питания всего на несколько сотен милливольт. Для ОУ с большим динамическим диапазоном и однополярным питанием необходимо смещение выходного сигнала на 250 мВ относительно земли. Это Uсм питает один из концов резисторной цепочки и, следовательно, необходимо применение буфера с низким выходным сопротивлением для снижения влияния ошибки усиления. Для минимизации выходной ошибки буфер на ОУ с единичным усилением должен также иметь малое напряжение смещения по постоянному току и малый дрейф.

В ИУ Maxim (таком как MAX4208, корпус mMAX®) интегрированы буфер на прецизионном ОУ с нулевым дрейфом и архитектура с косвенной обратной связью по току. Данный буфер совместно с простым внешним делителем напряжения (рис. 5) может быть использован для создания стабильного источника напряжения Uсм, величина которого пропорциональна источнику опорного напряжения АЦП. Помимо этого он может служить источником сигнала для одного из дифференциальных входов АЦП.

 

Пример схемы логометрического моста с MAX4208-MAX4209

 

Рис. 5. Пример схемы логометрического моста с MAX4208-MAX4209

 

ИУ построен по технологии усилителя постоянного тока с автоматическим обнулением и расширением спектра, что позволяет эффективно подавлять розовый шум как в самом буфере, так и в токовых усилителях цепи косвенной обратной связи. Для схем, критичных к уровню энергопотребления, предусмотрена возможность выключения усилителя.

 

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. 6) 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. Существенные токи в данных системах (иногда порядка 90 А) предполагают, что измерительное сопротивление должно быть очень мало для уменьшения излишнего рассеивания на нем мощности. Более того, часто в качестве сопротивления выступает эффективное последовательное сопротивление катушки индуктивности. Для корректной работы входное напряжение смещения должно быть много меньше, чем минимальное измеряемое напряжение (соответствующее минимальному измеряемому току), и точность усиления напряжения должна быть достаточно высока.

 

Измерение тока потребления микропроцессора (MAX4208)

 

Рис. 6. Измерение тока потребления микропроцессора (MAX4208)

В современных процессорах напряжение питания ядра может меняться в пределах 0,9…1,5 В. Таким образом, измерение напряжения на измерительном резисторе проходит в условиях изменяющегося синфазного напряжения, абсолютная величина которого не превышает полутора вольт. 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.

 

Литература

 

1. Thomas Frederiksen, Intuitive IC Op Amps (National Semiconductor Technology Series, 1984).

2. Horowitz, Paul, & Hill, Winfield, The Art of Electronics (Cambridge University Press, 1989).

3. Graeme, Jerald, Optimizing Op Amp Performance (McGraw-Hill, 1997).

4. Huijsing, Johan, Operational Amplifiers-Theory and Design (Kluwer Academic Publishers, 2001).

5. Nolan, Eric, Moghimi, Reza, «Demystifying Auto-Zero Amplifiers,» Analog Dialogue (Analog Devices, Inc., May 2000).

6. Kugelstadt, Thomas, «Auto-zero amplifiers ease the design of high-precision circuits,» TI Analog Applications Journal (2005).

Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail: sensors.vesti@compel.ru

 

 

•••

Наши информационные каналы

О компании Maxim Integrated

Компания Maxim Integrated является одним из ведущих разработчиков и производителей широкого спектра аналоговых и цифро-аналоговых интегральных систем. Компания была основана в 1983 году в США, в городе Саннивэйл (Sunnyvale), штат Калифорния, инженером Джеком Гиффордом (Jack Gifford) совместно с группой экспертов по созданию микроэлектронных компонентов. На данный момент штаб-квартира компании располагается в г. Сан-Хосе (San Jose) (США, Калифорния), производственные мощности (7 заводов) и ...читать далее