Pięć podstawowych błędów związanych z użytkowaniem wzmacniaczy pomiarowych

Czwartek, 24 stycznia 2008 | Technika

W przeciwieństwie do przetworników A/C, w typowym wzmacniaczu pomiarowym ustawia się tylko dwa parametry: wzmocnienie i napięcie odniesienia. W odróżnieniu od wzmacniaczy operacyjnych, w których błędnie zaprojektowane sprzężenie zwrotne powoduje oscylacje napięcia, wzmacniacze pomiarowe są w miarę stabilne.Uruchomienie takiego układu na płytce montażowej jest dosyć proste, ale nieprzywiązywanie uwagi do szczegółów może skutkować jego przeciętną wydajnością. Artykuł przedstawia pięć najczęstszych błędów popełnianych przez projektantów.

Pięć podstawowych błędów związanych z użytkowaniem wzmacniaczy pomiarowych

Zakłócenia o częstotliwościach radiowych

Wzmacniacze pomiarowe połączone są przeważnie z zewnętrznym czujnikiem za pośrednictwem przewodów o długości co najmniej kilkudziesięciu centymetrów, które działają jak czuła antena. Przechwytuje ona głównie sygnały o częstotliwościach 50 lub 60Hz i dużo wyższych. Tłumienie sygnału wspólnego (CMRR) jest więc kluczowym wymogiem, opisywanym w dokumentacji wzmacniaczy pomiarowych. Większość współczesnych monolitycznych wzmacniaczy pomiarowych tłumi sygnały przewodowe o częstotliwościach 50/60Hz i mniejszych. Mogą one również dobrze tłumić napięcia średnioczęstotliwościowe, jednak jest to ściśle zależne od zastosowanej architektury. Przykładem może być wzmacniacz AD8221 firmy Analog Devices, który zapewnia tłumienie CMRR na poziomie 80dB dla częstotliwości 10kHz. Jednak współczesne monolityczne wzmacniacze pomiarowe charakteryzują się bardzo słabym tłumieniem sygnałów wspólnych o wysokich częstotliwościach (rys. 1).

Wysokie częstotliwości

Rys. 1. Tłumienie sygnału wspólnego we wzmacniaczach pomiarowych

Wzmacniacze pomiarowe projektowane są jako urządzenia dokładne i energooszczędne, co odbywa się kosztem szybkości. Dlatego większość z nich nie jest w stanie wiernie śledzić szybkich sygnałów wspólnych. Sygnały wysokoczęstotliwościowe są nie tylko niedostatecznie tłumione przez wzmacniacze pomiarowe, ale także przez nie zniekształcane. W wyniku przechodzenia takich sygnałów przez wzmacniacz powstają produkty o częstotliwościach radiowych, które mogą przenosić się z wysokich do niskich częstotliwości. Rozwiązanie problemu polega na eliminacji wysokoczęstotliwościowych zakłóceń, zanim trafią one do wzmacniacza pomiarowego. Można to osiągnąć przez wstawienie filtru dolnoprzepustowego przed wzmacniaczem pomiarowym (rys. 2).

Rezystory takiego filtru powinny stanowić kompromis między wprowadzanymi szumami a zabezpieczeniem napięciowym. Kondensator różnicowy (CD) powinien mieć takie parametry, dzięki którym częstotliwość graniczna sygnału różnicowego znajdzie się nieznacznie powyżej interesującego sygnału. Natomiast kondensatory sygnału wspólnego (CC) powinny być na tyle pojemne, aby filtr dolnoprzepustowy złożony z elementów R i CC dostatecznie tłumił zaburzenia. Muszą być także jak najbardziej do siebie dopasowane, ponieważ jakakolwiek niezgodność będzie skutkowała różnymi charakterystykami filtru dolnoprzepustowego na każdym z jego dwóch wejść oraz zmniejszeniem średnioczęstotliwościowego tłumienia CMRR. Ponieważ mniejsze pojemności kondensatora powodują mniejszą bezwzględną niezgodność, wybór kondensatorów CC jest kompromisem między skutecznością filtrowania zaburzeń, a tłumienia CMRR w paśmie średnich częstotliwości.

Rys. 2. Filtr eliminujący sygnały wysokoczęstotliwościowe umieszczony przed wzmacniaczem

Pojemności kondensatorów Cc dobiera się przeważnie na poziomie co najmniej 10 razy mniejszym niż pojemność kondensatora CD. Bardziej zalecane jest zastosowanie kondensatorów typu COG o wysokiej dokładności, ponieważ będą bardziej one dopasowane do siebie, niż kondensatory typu X7R. Natomiast precyzja wartości kondensatora CD nie jest kluczowa.

Należy zauważyć, że czasem dla bardzo silnych sygnałów RFI, zaburzenia mogą trafiać do układu nie za pośrednictwem przewodów wejściowych, ale np. przez inne piny lub obudowę. W takich przypadkach ważniejszym problemem staje się źródło zakłóceń lub słabe ekranowanie.

Zakres sygnału wspólnego

Rys. 3. Wykres zależności między sygnałem wspólnym, a napięciem wyjściowym wzmacniacza pomiarowego

Podobnie jak wzmacniacze operacyjne, także wzmacniacze pomiarowe charakteryzują się takimi parametrami jak zakres dopuszczalnego napięcia wejściowego i zakres napięcia wejściowego. Nazewnictwo to może jednak wprowadzać w błąd, ponieważ nawet, jeśli napięcia wejściowe i wyjściowe obwodu utrzymywane są w zakresie dopuszczalnym, wzmacniacz może nie funkcjonować tak jak powinien.

Większość wzmacniaczy pomiarowych składa się z dwóch elementów: przedwzmacniacza i wzmacniacza sygnału różnicowego, który usuwa sygnał wspólny. Pomiędzy tymi elementami znajdują się węzły, w których pojawiają się sygnały o napięciach będących sumą napięć wzmocnionego sygnału różnicowego oraz wspólnego. Może się zdarzyć, że w węzłach tych wystąpią napięcia przekraczające napięcie zasilania nawet, gdy napięcia wejściowe i wyjściowe znajdują się wewnątrz dopuszczalnego zakresu.

Na rys. 3. przedstawiono typowe działanie dwóch najczęstszych architektur wzmacniaczy pomiarowych: z dwoma oraz z trzema idealnymi wzmacniaczami operacyjnymi rail-to-rail.

Rys. 4. Nieprawidłowe (a) i prawidłowe (b) podłączenie wejścia odniesienia w celu osiągnięcia najwyższego CMRR wzmacniacza pomiarowego

W starszych dokumentacjach wzmacniaczy pomiarowych nie umieszczano informacji na temat rzeczywistego zakresu sygnału wspólnego, co powodowało wiele problemów w projektowaniu układów opartych o takie wzmacniacze. Najnowsze dokumentacje zawierają przeważnie odpowiednie wzory lub wykresy podobne do tych z rys. 3. W celu przetestowania zakresu sygnału wspólnego układu montażowego należy zwiększać napięcie sygnału wspólnego do momentu, w którym wzmocnienie obwodu zacznie spadać. Wskazuje to moment, w którym napięcie jednego z wewnętrznych węzłów osiągnęło swoją wartość graniczną.

Należy zauważyć, że producenci układów scalonych rozwijają architektury, które nie mają narzuconych ograniczeń liczby wewnętrznych węzłów. Przykładem takiego produktu jest wzmacniacz pomiarowy AD8553 firmy Analog Devices. Jednak wadą tej architektury jest słabsze niż w tradycyjnych wzmacniaczach tłumienie szumów dla małych współczynników wzmocnienia.

Ochrona napięciowa

Rys. 5. Typowe przykłady nieuziemionych źródeł

Wzmacniacze pomiarowe są często połączone z sensorami na zewnątrz płytki montażowej. Połączenia te mogą być jednak wykonane niepoprawnie, narażając wzmacniacz na przepływ napięć większych niż zamierzone. Jeśli wzmacniacz pomiarowy nie jest odpowiednio chroniony, wysokie napięcia mogą spowodować jego uszkodzenie.

Często powodem awarii nie są napięcia, ale prądy przez nie wywoływane. Głównym mechanizmem uszkodzenia jest migracja atomów metalu, co powoduje niszczenie układu scalonego w warunkach wysokoprądowych. Proces ten jest przyśpieszany przez wzrost temperatury, więc wzmacniacze z reguły lepiej tolerują krótkie wzrosty napięcia niż długotrwałe.

Klasycznym sposobem nadnapięciowego zabezpieczenia obwodu jest dodanie do niego rezystorów połączonych szeregowo z wejściami. Jeśli dokumentacja nie zapewnia dodatkowych informacji, należy przyjąć, że maksymalny prąd diod ochronnych ESD to przynajmniej 5mA. Rezystory powinny więc być tak dobrane, aby maksymalny spadek napięcia pomiędzy napięciem wejściowym, a źródłem napięcia wzmacniacza pomiarowego powodował mniejszy przepływ prądu przez te diody niż 5mA.

Niestety, rezystory zwiększają szumy. Rezystor 1kΩ charakteryzuje się szumem termicznym o wartości 4nV/√Hz, a rezystor 100kΩ – 40nV/√Hz. Efektywne szumy mają wartość pierwiastka z sumy kwadratów poszczególnych wartości szumów: √(en12 + en22 + en32). Całkowity wpływ na szum układu będzie nieznaczny, jeśli szum rezystora wynosi maksymalnie jedną trzecią wewnętrznego szumu wzmacniacza pomiarowego.

W niektórych przypadkach możliwe jest użycie rezystorów o małej oporności oraz oddzielnych diod pomiędzy wejściami i źródłami, aby bocznikować prąd z tej części układu. Skuteczność takiej metody jest ściśle uzależniona od wejściowej struktury wzmacniacza. Przed zastosowaniem obwodu w praktyce, należy określić miejsca przepływu prądu w warunkach nadnapięciowych. Diody o małej pojemności i małym prądzie upływowym zalecane są do utrzymania całkowitego błędu napięcia wejściowego na poziomie minimalnym.

Podłączenie napięcia odniesienia

Wyjście wzmacniacza pomiarowego zależy od napięcia odniesienia. W znacznej większości wzmacniaczy pomiarowych, wejście odniesienia powinno być podłączone do małej impedancji: do masy lub wyjścia wzmacniacza. Podłączenie do dzielnika napięcia jest rozwiązaniem zupełnie nieakceptowalnym. Podłączenie do wysokiej impedancji będzie skutkować słabym tłumieniem CMR (rys. 4). Dobrą praktyką jest utrzymanie impedancji dla prądu stałego poniżej 1Ω.

Nieuziemione napięcia

Ponieważ wzmacniacz pomiarowy ma wejścia – i +, w pewien sposób przypomina on miniaturowy woltomierz. Jednak w przeciwieństwie do niego, wzmacniacz pomiarowy nie może mierzyć nieuziemionych napięć, czyli wszelkich elementów, które nie mają połączenia z ziemią. Tego typu urządzenia to np. izolowane termopary, strony wtórne transformatorów oraz akumulatory. Prądy polaryzacji wzmacniacza pomiarowego doprowadziłyby każde nieuziemione źródło takiego urządzenia poza zakres sygnału wspólnego wzmacniacza. Wynika z tego, że wzmacniacz pomiarowy ze zwartymi wejściami nie musi generować napięcia 0V na wyjściu. Te zwarte wejścia muszą być ponadto podłączone do napięcia z zakresu sygnału wspólnego wzmacniacza (rys. 5).

Grzegorz Michałowski