В чем разница между операционными усилителями и инструментальными усилителями?

Операционные усилители и инструментальные усилителиТермин инструментальный усилитель часто используется неправильно, имея в виду скорее приложение, чем архитектуру устройства. Исторически сложилось так, что любой усилитель, который считался прецизионным (т.е. реализовывал какую-либо коррекцию входного смещения), считался «инструментальным усилителем», поскольку он был разработан для использования в измерительных системах. Инструментальные усилители, или INA, связаны с операционными усилителями в том смысле, что они основаны на тех же основных строительных блоках. Но INA — это специализированное устройство, предназначенное для определенной функции, а не фундаментальный строительный блок. В этом отношении инструментальные усилители не являются операционными усилителями, поскольку они предназначены для работы, так сказать, по-другому.

Возможно, наиболее заметным различием между INA и операционным усилителем с точки зрения использования является отсутствие петли обратной связи. Операционные усилители могут быть настроены для выполнения широкого спектра функций, включая инвертирующее усиление, неинвертирующее усиление, повторитель напряжения, интегратор, фильтр нижних частот, фильтр верхних частот и многие другие. Во всех случаях пользователь обеспечивает контур обратной связи от выхода операционного усилителя к входу, и этот контур обратной связи определяет функцию схемы усилителя. Эта гибкость является причиной того, что операционные усилители так широко используются в самых разных приложениях. INA, с другой стороны, имеет эту обратную связь внутри, поэтому нет внешней обратной связи для входных контактов. Для INA конфигурация ограничена одним или двумя внешними резисторами или, возможно, программируемым регистром, чтобы установить коэффициент усиления усилителя.

INA специально разработаны и используются для обеспечения возможности подавления дифференциального усиления и подавления синфазного сигнала. Инструментальный усилитель будет усиливать разницу между инвертирующим и неинвертирующим входами, отклоняя любой сигнал, общий для обоих входов, в результате чего на выходе INA не будет синфазного компонента. Операционный усилитель, настроенный на усиление (инвертирующий или неинвертирующий), будет усиливать входной сигнал на установленный коэффициент усиления с обратной связью, но синфазный сигнал останется на выходе. Разница в усилении между интересующим сигналом и синфазным сигналом приводит к уменьшению синфазного сигнала (в процентах от дифференциального сигнала), но общий режим все еще присутствует на выходе операционного усилителя, что ограничивает динамический диапазон вывода.

Как уже упоминалось, INA используются для извлечения слабого сигнала в присутствии большого синфазного сигнала, но этот синфазный компонент может принимать различные формы. При использовании датчика в конфигурации моста Уитстона (которую мы рассмотрим позже) существует большое постоянное напряжение, которое является общим для обоих входов. Однако сигналы помех могут принимать разные формы; один общий источник — это помехи 50 или 60 Гц от линий электропередач, не говоря уже о гармониках. Этот источник изменяющейся во времени ошибки часто также сильно колеблется по частоте, что чрезвычайно затрудняет компенсацию на выходе инструментального усилителя. Эти отклонения делают важным определение подавления синфазного сигнала не только на постоянном токе, но и в диапазоне частот.

Разностный усилитель

Первый вопрос, который может возникнуть, это: «Можно ли сделать инструментальный усилитель из простых операционных усилителей?» Короткий ответ — да, можете. Но всегда есть компромиссы! Сначала можно подумать о простой схеме разностного усилителя (картинка ниже), иногда называемой вычитателем.

Разностный усилитель
Схема разностного усилителя

Это очень простая схема, которая обеспечивает дифференциальное усиление и имеет некоторое подавление синфазного сигнала, для чего и предназначен INA. Ранее мы упоминали о компромиссах, и в этой схеме есть пара. Прежде всего, давайте посмотрим на входное сопротивление. Это относительно мало, что определяется номиналами резисторов, которые могут быть порядка 100 кОм. Также, входные импедансы не совпадают, что означает, что через каждую ногу будет протекать разный ток, вызывая подавление синфазного сигнала. Другой недостаток этой простой схемы — необходимость согласования резисторов. Подавление синфазного сигнала этой схемы в основном определяется уровнем согласования в парах резисторов, а не самим операционным усилителем. Любое несоответствие в этих парах резисторов уменьшит подавление синфазного сигнала.

Формула 1

Где: Rt = полное рассогласование пар резисторов в дробной форме

Например, предположим, что R1 = R2 = R3 = R4 (обеспечивает единичное усиление), а рассогласование резисторов составляет 1%. Используя приведенное выше уравнение с подставлением чисел, получаем:

Расчет по формуле

CMR = 46 дБ

Как показывает этот пример, производительность, которую можно достичь с помощью этой простой схемы, чрезвычайно ограничена. Даже при согласовании резисторов вручную будет трудно добиться подавления синфазного сигнала более 66 дБ. Кроме того, здесь не учитываются колебания из-за температуры, так как любая разница в температурных коэффициентах между резисторами еще больше увеличит рассогласование и приведет к ухудшению подавления синфазного сигнала. Принимая во внимание все эти факторы и ограничения, монолитный дифференциальный усилитель обычно является лучшим решением для относительно высокопроизводительных приложений.

Обсуждаемая ранее схема дифференциального усилителя технически не является инструментальным усилителем, но полезна для определенных приложений, требующих высокой скорости и / или высоких уровней синфазного напряжения. Для прецизионных приложений зачастую лучшим выбором является настоящий инструментальный усилитель. Для создания инструментального усилителя используются две общие схемы: одна основана на двух усилителях, а другая — на трех. Оба будут подробно рассмотрены. Обратите внимание, что эти базовые схемы могут быть построены с использованием стандартных операционных усилителей, но они также являются базовыми схемными концепциями, используемыми во многих монолитных инструментальных усилителях, предлагаемых сегодня.

Два операционных усилителя INA

Схема инструментального усилителя
Схема инструментального усилителя с двумя операционными усилителями

На картинке выше показана популярная схема инструментального усилителя на основе двух усилителей. В этой схеме общий коэффициент усиления устанавливается с помощью одного резистора, обозначенного ниже как «RG», вот что получается:

Формула 2

Одним из ограничений этой схемной архитектуры является то, что она не поддерживает единичное усиление. Хотя большинство инструментальных усилителей используются для обеспечения усиления (и, следовательно, единичное усиление не критично), в некоторых приложениях инструментальный усилитель используется специально для подавления синфазного сигнала. Таким образом, разумно предположить, что INA может использоваться в конфигурации с единичным усилением для некоторых приложений. Еще одно ограничение INA с двумя операционными усилителями заключается в том, что диапазон синфазного сигнала на входе ограничен, особенно при более низких коэффициентах усиления и при использовании с операционными усилителями с однополярным питанием. Имейте в виду, что усилитель в левой части схемы должен усиливать входной сигнал в неинвертирующем узле на 1+. Таким образом, если общий режим входного сигнала слишком высок, усилитель перейдет в режим насыщения (на выходе закончится запас по уровню).

Одним из ограничений схемы разностного усилителя, был низкий входной импеданс. Как видно на второй картинке, схема INA с двумя операционными усилителями не имеет этой проблемы, поскольку два дифференциальных входных сигнала поступают непосредственно на входные контакты усилителей, которые обычно имеют импедансы в миллионы Ом. Однако из-за разницы в трактах входных сигналов существует разница в задержках между дифференциальными входными сигналами, что приводит к плохому подавлению синфазных сигналов по частоте — критически важной спецификации для инструментальных усилителей. Подобно схеме разностного усилителя, подавление синфазного сигнала на постоянном токе снова ограничивается согласованием соотношений резисторов.

Монолитный INA, основанный на архитектуре с двумя операционными усилителями, по своей природе будет иметь лучшее согласование резисторов и отслеживание температуры по сравнению с дискретным решением, поскольку резисторы на основе кремния могут быть подрезаны для обеспечения согласования порядка 0,01%. Тем не менее, архитектура INA с двумя операционными усилителями имеет некоторые определенные ограничения, которые невозможно преодолеть без изменения архитектуры схемы.

INA

INA с тремя операционными усилителями основана на трех операционных усилителях, как показано на картинке ниже. Можно заметить, что задняя половина этой схемы идентична разностному усилителю, который обсуждался ранее. Добавление двух буферов операционных усилителей на входе схемы обеспечивает источник с высоким и хорошо согласованным импедансом. Это устраняет одну из основных проблем, связанных с простой дифференциальной схемой. Дифференциальный усилитель на конце обеспечивает подавление синфазной составляющей.

Измерительная схема
Традиционная измерительная схема на 3 ОУ

В этой конфигурации коэффициент усиления схемы устанавливается через значение резистора, обозначенного RG. Если посмотреть на входной каскад, состоящий из двух операционных усилителей, любой синфазный сигнал усиливается только с единичным усилением, независимо от дифференциального усиления (установленного RG) в первых двух усилителях. Следовательно, эта схема может работать в широком диапазоне синфазных сигналов (ограниченном запасом мощности первых двух усилителей), независимо от коэффициента усиления. Это преимущество перед рассмотренными ранее двумя операционными усилителями INA. Затем дифференциальный усилитель удалит все синфазные компоненты. Подобно предыдущим архитектурам, которые обсуждались, эффективность подавления синфазного сигнала зависит от согласования соотношения резисторов, как показано ниже:

Формула 3

Где: Rt = полное несовпадение пар резисторов

Из-за того, что синфазный компонент всегда видит единичное усиление, подавление синфазного сигнала инструментального усилителя с тремя операционными усилителями будет увеличиваться пропорционально величине дифференциального усиления.

На этой принципиальной схеме основаны несколько монолитных инструментальных усилителей. Монолитное решение предлагает очень хорошо согласованные усилители, а возможность использования подстроечных резисторов обеспечивает хорошее подавление синфазного сигнала и точность усиления. В последнее время монолитные инструментальные усилители внесли дополнительные улучшения в эту базовую архитектуру. Например, топологии с токовым режимом устраняют необходимость в прецизионном согласовании резисторов для достижения высокого подавления синфазного сигнала. В любом случае дискретное решение, использующее операционные усилители и дискретные компоненты, обычно будет более дорогостоящим и приведет к снижению производительности.

Технические характеристики INA

Технические характеристики INA и операционного усилителя, как упоминалось ранее, операционные усилители и инструментальные усилители связаны между собой, и, как мы показали, операционные усилители могут использоваться для построения INA. Из-за этого сходства существуют некоторые характеристики, общие как для операционных, так и для инструментальных усилителей. Однако есть также спецификации, которые уникальны для INA из-за специфической функциональности такого устройства. Двумя важными характеристиками для измерительных приложений, которые являются общими для операционных усилителей и INA, являются входной ток смещения и входное напряжение смещения / дрейф напряжения смещения.

Входной ток смещения — это величина тока, протекающего на входах усилителя, необходимого для смещения входных транзисторов. Величина этого тока может варьироваться от мкА до пА и сильно зависит от архитектуры входной схемы усилителя. Этот параметр становится чрезвычайно важным при подключении высокоомного датчика ко входу усилителя. Поскольку ток смещения протекает через этот высокий импеданс, на импедансе происходит падение напряжения, что приводит к ошибке напряжения. Независимо от того, содержит ли схема операционный усилитель или инструментальный усилитель, ток смещения может играть решающую роль в общем бюджете ошибок схемы.

Другой важной характеристикой усилителя, общей для операционных и инструментальных усилителей, является входное напряжение смещения. Как следует из названия, эта спецификация представляет собой разницу напряжений усилителя между инвертирующим и неинвертирующим входами. Это смещение напряжения зависит от топологии усилителя и может варьироваться от микровольт до милливольт. Как и все электрические компоненты, усилители изменяют поведение в зависимости от температуры. Это, безусловно, относится к смещению напряжения усилителя. Смещение напряжения является источником ошибки, и, поскольку смещение дрейфует по температуре, эта ошибка становится коррелированной с температурой. Даже высокоточный усилитель будет подвержен температурному дрейфу.

Из-за специализированного характера инструментальных усилителей существуют дополнительные спецификации, которые обычно не встречаются в технических паспортах стандартных операционных усилителей, включая ошибку усиления и характеристики нелинейности. Ошибка усиления обычно указывается как максимальный процент и представляет собой максимальное отклонение от идеального уравнения усиления для этого конкретного усилителя. Вариации номиналов резисторов и температурные градиенты в цепях резисторов могут вносить свой вклад в погрешность усиления. Спецификация нелинейности также описывает характеристику усиления усилителя. Эта спецификация определяет максимальное отклонение от идеальной прямолинейной передаточной функции при сравнении выхода и входа. Например, если инструментальный усилитель настроен на коэффициент усиления десять, то вход постоянного тока 100 мВ должен давать 1В на выходе. Если на входе принимается до 500 мВ, то на выходе должно быть 5 В. Эти две точки представляют собой прямолинейную передаточную функцию от входа к выходу для усилителя. Любое отклонение от этой прямой отмечается спецификацией нелинейности.

Пример применения: мост Уитстона

Как отмечалось ранее, инструментальные усилители предназначены для обеспечения дифференциального усиления и хорошего подавления синфазных сигналов. Эти характеристики делают INA очень популярными для датчиков (например, тензодатчиков), расположенных в классической конфигурации моста Уитстона. Мост Уитстона для тензодатчика состоит из четырех элементов, расположенных в виде ромба, каждая сторона которого состоит из резистивного элемента (тензодатчика или фиксированного резистора). Затем на мост подается напряжение возбуждения и измеряется выходное напряжение в середине моста. Четверть моста состоит только из одного элемента переменного резистора — тензодатчика. Полумост имеет два элемента с переменным сопротивлением, а полный мост имеет все четыре элемента как элементы с переменным сопротивлением — в данном случае тензодатчики. Преимущество наличия большего количества тензодатчиков — повышение чувствительности. При прочих равных, конфигурация полумоста будет иметь в два раза большую чувствительность, чем четверть моста, а полный мост будет иметь в четыре раза большую чувствительность, чем четверть моста.

Мост Уитстона
Инструментальный усилитель, используемый с мостом Уитстона

В этом примере мост Уитстона возбуждается источником постоянного тока. Предполагая, что VDD установлен на 5 В, это создает общий режим постоянного тока примерно 2,5 В на центральных отводах моста. Сила, приложенная к тензодатчикам, вызовет изменение их соответствующих сопротивлений, создавая небольшой перепад напряжения на центральных ответвлениях. Это изменение напряжения очень мало по сравнению с синфазным напряжением — обычно порядка 10 милливольт — отсюда необходимость усиления этого небольшого дифференциального напряжения. Инструментальный усилитель идеально подходит для этой задачи, не только обеспечивая необходимое усиление, но также подавляя относительно высокий синфазный сигнал (и любой дополнительный шум, который является общим для обоих входных сигналов).

Вывод

В мире системного проектирования термин «инструментарий» может иметь несколько значений. Исторически этот термин использовался для описания приложения, обычно физического явления, которое измеряется или регистрируется. Следовательно, любые операционные усилители, которые были разработаны для использования в таких приложениях, стали известны как «инструментальные усилители». Путаницу усугубляет тот факт, что реальные инструментальные усилители могут быть сконструированы с использованием операционных усилителей.

На самом деле операционные усилители и инструментальные усилители — это очень разные устройства, предназначенные для выполнения разных функций. Инструментальные усилители можно рассматривать как специализированные усилители, специально используемые для обеспечения дифференциального усиления и подавления синфазного сигнала. Как мы видели в этой статье, схемы, реализующие традиционные операционные усилители, могут быть созданы для выполнения тех же функций. Однако в большинстве случаев монолитный инструментальный усилитель обеспечивает существенно более высокий уровень производительности и надежности.

С Уважением, МониторБанк

Добавить комментарий