Zrozumieć wzmacniacze pomiarowe

Rys. 1. Chociaż wzmacniacze operacyjne tłumią składową wspólną, jest ona zawsze dostępna na ich wyjściu

Na wstępie warto przedstawić główne różnice między wzmacniaczami pomiarowymi a wzmacniaczami operacyjnymi. Jedną z nich jest sposób realizacji sprzężenia zwrotnego. W tych drugich w tym celu między wejściem odwracającym a wyjściem wzmacniacza umieszcza się zewnętrzne elementy, na przykład rezystory. W zależności od konfiguracji pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego wzmacniacze operacyjne mogą pełnić różne funkcje. Przykładowe układy to: wzmacniacz odwracający oraz nieodwracający, wtórnik napięciowy, wzmacniacz różnicowy, wzmacniacz sumujący, integrator oraz wzmacniacz różniczkujący.

Sprzężenie zwrotne w wypadku wzmacniaczy pomiarowych jest realizowane wewnętrznie przy użyciu sieci rezystorów odizolowanych od zacisków wejściowych układu. Jego konfiguracja jest zwykle ograniczona do możliwości ustawienia wzmocnienia przez wybór zewnętrznych oporników, również odizolowanych od wejść sygnałowych lub za pośrednictwem programowalnego rejestru. W pierwszym przypadku często spotykanym rozwiązaniem jest połączenie rezystora zewnętrznego z dwoma zintegrowanymi w układzie wzmacniacza.

Regulacja wzmocnienia wzmacniaczy pomiarowych

Rys. 2. Przykład dyskretnej realizacji układu o funkcjonalności wzmacniacza pomiarowego

Zadaniem konstruktora jest wówczas obliczenie wartości rezystancji opornika zewnętrznego wymaganej do uzyskania określonej wartości wzmocnienia. Odpowiednie zależności są zwykle podane w specyfikacji układu. Zaletą tego podejścia jest możliwość ustawienia dowolnego wzmocnienia z szerokiego zakresu wartości.

Niestety to, że wartość rezystancji podzespołów dyskretnych jest określona z pewną tolerancją, wpływa na dokładność wzmocnienia. Różnica między temperaturą w otoczeniu rezystorów zewnętrznych a tą we wnętrzu wzmacniacza (z reguły minimalna, ale nieunikniona) oraz różnica między ich współczynnikami temperaturowymi skutkują z kolei dryft em wzmocnienia.

Alternatywą jest użycie dwóch rezystorów zewnętrznych. Dzięki temu, że wzmocnienie zależy wówczas od stosunku rezystancji tych oporników, jego dryft jest mniejszy. Polepszenie tego parametru można również uzyskać, gdy korzysta się z siatki rezystorów zewnętrznych zrealizowanych w jednym układzie. Tolerancja ich rezystancji oraz współczynniki temperaturowe mają wówczas zbliżone wartości.

Wzmacniacze pomiarowe a operacyjne

Rys. 3. Układ z rysunku 2 uzupełniony o bufory wejściowe

Wzmacniacze pomiarowe wzmacniają różnicę sygnałów na wejściu odwracającym i nieodwracającym, tłumiąc przy tym ich składową wspólną. Komponenty te są zbudowane w taki sposób, że ta ostatnia nie występuje na ich wyjściu. Inaczej jest w wypadku wzmacniaczy operacyjnych.

Na rysunku 1 przedstawiono wzmacniacz operacyjny, do wejścia którego podłączone jest źródło sygnału zmiennego o składowej stałej U_CM. Z powodu zewnętrznego sprzężenia zwrotnego napięcie na wejściu odwracającym będzie takie samo, jak napięcie na wejściu nieodwracającym. Idealne napięcie między zaciskami wejściowymi wzmacniacza będzie zatem równe zero.

W rezultacie napięcie na wyjściu wzmacniacza musi być równe U_CM. Zatem chociaż wzmacniacze operacyjne tłumią składową wspólną, jest ona zawsze dostępna na ich wyjściu. W praktyce różnica sygnałów na wejściach tego układu jest bowiem wzmacniana tyle razy, ile wynosi wzmocnienie wzmacniacza w pętli zamkniętej, natomiast wzmocnienie składowej stałej wynosi 1.

Dlatego wzmacniacze pomiarowe lepiej niż "zwykłe" sprawdzają się w układach pomiarowych, w których wychwycić trzeba nawet nieznaczną zmianę różnicowego sygnału mierzonego (na przykład z wyjścia mostka pomiarowego Wheatstone’a). W razie zastąpienia tych pierwszych wzmacniaczami operacyjnymi skutkowałoby to wzmocnieniem nie tylko sygnałów różnicowych, ale, oprócz samej składowej wspólnej, również wszelkich zakłóceń.

Zbuduj wzmacniacz pomiarowy!

Rys. 4. Układ z rysunku 4 uzupełniony o zestaw rezystorów R5-R8

Wzmacniacz pomiarowy można zbudować, wykorzystując jeden lub większą liczbę wzmacniaczy operacyjnych. Alternatywą są komponenty monolityczne. Oba podejścia mają wady oraz zalety, które należy wziąć pod uwagę przy wyborze układu dla danej aplikacji.

Zaletą wzmacniaczy pomiarowych zbudowanych ze wzmacniaczy operacyjnych jest większa elastyczność konstrukcji uzyskiwana tanim kosztem. Istotna jest również możliwość zapewnienia takich parametrów jak na przykład szerokie pasmo przenoszenia, które są trudne do osiągnięcia we wzmacniaczach scalonych. Za tymi ostatnimi przemawia z kolei to, że są to komponenty gotowe do użycia, o pewnych parametrach, które zajmują mniej miejsca na płytce urządzenia.

Na rysunku 2 przedstawiono przykład dyskretnej realizacji układu o funkcjonalności wzmacniacza pomiarowego (tzn. wzmacniającego sygnały różnicowe oraz tłumiącego składową wspólną). Jego zaletą jest prosta konstrukcja, niestety ma on również wiele ograniczeń. Przede wszystkim impedancje wejść odwracającego i nieodwracającego nie są idealnie równe i mają zwykle małą wartość - zależną bowiem od rezystancji oporników wejściowych, która typowo wynosi kilkaset kΩ. Powoduje to niezrównoważenie prądów wejściowych, co z kolei negatywnie wpływa na współczynnik CMR całego układu. Dla porównania impedancje wejść wzmacniacza pomiarowego scalonego są takie same, a ich wartość sięga 109 Ω lub więcej.

Alternatywa

Rys. 5. Najczęściej spotykana realizacja wzmacniacza pomiarowego przy użyciu trzech wzmacniaczy operacyjnych

Ponadto wymagane jest, aby wartości stosunków rezystancji par R1/R2 oraz R3/R4 były możliwie zbliżone. Niedopasowanie w tym zakresie również negatywnie wpływa na współczynnik CMR obliczany ze wzoru: CMR = 20 · log[(1 + R2/R1)/Rt], gdzie Rt to wartość wyrażająca całkowite niedopasowanie par rezystorów. Z powodu różnic współczynników temperaturowych komponentów wzmacniacz ten jest ponadto wrażliwy na zmiany temperatury.

Z powyższych przyczyn zakres zastosowania tego układu jest ograniczony. Sprawdza się on przykładowo w przetwarzaniu szybkich sygnałów lub tych z dużą składową wspólną. W aplikacjach wymagających większej dokładności nie należy jednak z niego korzystać.

Na rysunku 3 oraz rysunku 4 przedstawiono modyfikację układu z rysunku 2. Polega ona na jego uzupełnieniu o bufor o dużej impedancji wstawiony na wejściu wzmacniacza, a w drugim wypadku także na dodaniu zestawu rezystorów R5-R8. Dzięki tym zmianom poprawia się CMR całego układu, w tym zmniejsza się wpływ temperatury na wartość tego współczynnika.

Dalsze zmiany

Rys. 6. Błędna konstrukcja

Na rysunku 5 przedstawiono przykład wzmacniacza pomiarowego zbudowanego z trzech wzmacniaczy operacyjnych. Konstrukcja ta jest dalszą modyfikacją układu z rysunku 4.

Główna zmiana dotyczy uzupełnienia wzmacniacza o rezystor Rg włączony między wejścia buforów wejściowych A1 oraz A2, na którym odłoży się wejściowe napięcie różnicowe. Dzięki temu, że wzmocnione napięcie wejściowe na wyjściach buforów A1 oraz A2 odłoży się na trzech rezystorach R5, Rg oraz R6 wzmocnienie różnicowe można regulować, zmieniając wartość rezystancji Rg.

Zaletą tej konstrukcji jest to, że nie jest wymagane dopasowanie wartości rezystancji. Ponadto jeżeli na wejściu wzmacniacza wystąpi składowa wspólna, napięcia na obu zaciskach rezystora Rg będą równe, a prąd przez ten opornik nie popłynie. W takim wypadku wzmacniacze A1 oraz A2 będą pracować w układzie wtórnika. Wówczas wzmocnienie składowej wspólnej będzie równe jeden. Oznacza to, że regulując wzmocnienie różnicowe, nie trzeba się martwić o to, że równocześnie wzrośnie wzmocnienie składowej stałej. Dzięki temu wartość współczynnika CMR rośnie proporcjonalnie do wzmocnienia wzmacniacza.

Jest to jedna z najczęściej wykorzystywanych topologii wzmacniaczy tego typu budowanych przy użyciu komponentów dyskretnych. Ponadto w oparciu o nią budowane są scalone wzmacniacze pomiarowe.

Parametry wzmacniaczy pomiarowych

Rys. 7. Zmodyfikowany obwód z rysunku 6

Niektóre parametry charakteryzujące wzmacniacze operacyjne opisują również te pomiarowe. W kartach katalogowych tych drugich można jednak znaleźć również takie, które są specyficzne tylko dla nich. Do pierwszej grupy zalicza się, oprócz CMR, m.in. również wejściowy prąd polaryzujący oraz wejściowe napięcie offsetu.

Pierwszy parametr charakteryzuje natężenie prądu przepływającego przez wejścia wzmacniacza, który jest wymagany do spolaryzowania wejściowych tranzystorów. Jego wartość mieści się z reguły w zakresie od pikoamperów do maksymalnie mikroamperów i zależy przede wszystkim od konstrukcji obwodu wejściowego wzmacniacza. Parametr ten zyskuje na znaczeniu, gdy do wejść wzmacniacza podłączany jest układ, na przykład czujnik, o dużej impedancji. W wyniku przepływu prądu przez tą ostatnią odkłada się na niej duże napięcie. Wpływa to na dokładność pomiaru zarówno w wypadku wzmacniaczy pomiarowych, jak i "zwykłych" wzmacniaczy operacyjnych.

Drugi z parametrów charakteryzuje różnicę napięć między wejściem odwracającym i nieodwracającym. Również zależy on od budowy wewnętrznej wzmacniacza i wpływa na jego dokładność. Wartość napięcia offsetu zwykle mieści się w przedziale od mikrowoltów do miliwoltów. Do grupy parametrów specyficznych dla wzmacniaczy pomiarowych zalicza się z kolei m.in. błąd wzmocnienia. Charakteryzuje on maksymalne odchylenie od wartości wzmocnienia wyznaczonej na podstawie wzoru określającego go w wypadku danej konstrukcji wzmacniacza. Uwzględnia się w nim tolerancję rezystancji oraz to, jak może się ona zmienić pod wpływem wahań temperatury. Innym parametrem specyficznym dla wzmacniaczy pomiarowych jest nieliniowość charakterystyki wzmocnienia.

Parametry wzmacniaczy pomiarowych należy dopasować do wymagań danej aplikacji. Oprócz tego warto również na etapie przygotowywania projektu urządzenia przestrzegać kilku zasad odnośnie do ich instalacji. W przeciwnym wypadku wzmacniacz nie tylko nie spełni swojej funkcji prawidłowo, ale może się stać przyczyną problemów w działaniu urządzenia, którego jest częścią. Dalej przedstawiamy przykładowy problem i jego rozwiązanie.

Wzmacniacze pomiarowe w praktyce

Rys. 8. Modyfikacja obwodu z rysunku 6 dla wzmacniaczy zasilanych niesymetrycznie

Przykładem jednego z częściej popełnianych błędów jest wykonanie sprzężenia AC z wysokoimpedancyjnym wejściem wzmacniacza pomiarowego bez zapewnienia drogi powrotnej dla prądu, jak to przedstawiono na rysunku 6. Układ taki nie będzie działał. Zanim jednak wejściowe prądy polaryzacji wzmacniacza naładują kondensatory na wejściu tego układu, może minąć wiele czasu.

W rezultacie błędne połączenie może długo pozostać niezauważone. Rozwiązaniem jest uzupełnienie tego obwodu o rezystor o odpowiednio dużej oporności, który należy umieścić między każdym z wejść wzmacniacza a jego masą (rys. 7). Dzięki temu prądy polaryzacji mogą swobodnie odpływać do masy, nie przyczyniając się do niepożądanego wzrostu wejściowego napięcia offsetu. Błędu offsetu w tym układzie nie da się jednak całkowicie wyeliminować ze względu na niedopasowanie wartości rezystancji obu elementów.

Aby go maksymalnie zmniejszyć, trzeba uzupełnić ten obwód o trzeci rezystor, który należy włączyć między wejścia wzmacniacza. Wartość jego rezystancji powinna wynieść około jednej dziesiątej rezystancji R1 (R2). Przedstawione rozwiązanie dotyczy wzmacniaczy pomiarowych zasilanych symetrycznie.

W przypadku układów zasilanych niesymetrycznie problem komplikuje się. Należy bowiem do obu wejść wzmacniacza doprowadzić napięcie składowej wspólnej U_CM (rys. 8). Zadaniem konstruktora jest dobór odpowiedniej wartości tego ostatniego oraz U_REF. Zaleca się, aby wartość U_CM odpowiadała połowie spodziewanego wejściowego zakresu dynamicznego, U_REF połowie spodziewanego wyjściowego zakresu dynamicznego.

Wybierając wartości komponentów pasywnych, tzn. oporników i kondensatorów sprzęgających, również należy przestrzegać, aby odpowiednie stałe czasowe miały zbliżone wartości. Większe wartości pojemności zapewniają co prawda większe pasmo przenoszenia dla niższych częstotliwości i pozwalają na użycie rezystorów o mniejszej oporności, ale ze względu na większy rozmiar zajmują więcej miejsca na płytce. Mniejsze pojemności z kolei wymagają użycia elementów o większej rezystancji, te natomiast charakteryzują większe szumy. Wybór tych komponentów wymaga zatem kompromisu.

Monika Jaworowska

Podczas pisania artykułu korzystano z podręcznika A designer’s guide to instrumentation amplifiers firmy Analog Devices