Wzmacniacze pomiarowe bez dryfu dla czujników

Napięciowy lub prądowy sygnał wyjściowy stosunkowego układu mostkowego, powstaje w sposób niezależny od temperatury i napięcia zasilającego. Przykładowymi czujnikami do pomiarów mostkowych są:
-termistory do pomiaru temperatury,
-rezystancyjne lub pojemnościowe czujniki ciśnienia,
-magnetorezystancyjne czujniki kierunku lub pozycji.

Rys. 1. W tradycyjnym trójwzmacniaczowym wzmacniaczu pomiarowym wejściowe stopnie buforujące zapewniają całe wzmocnienie różnicowe, wzmocnienie napięcia wspólnego równe jedności i wysoką impedancję wejściową.

Czujniki wytwarzające bezpośrednio sygnał napięciowy lub prądowy nie wymagają do tego układu mostkowego. Za przykład mogą posłużyć termopary, medyczne przyrządy EKG, czy rezystancyjne czujniki napięcia lub prądu w obwodach do monitorowania zasilania.

Współczesne zastosowania czujników rozciągają się od elektroniki powszechnego użytku (termometry, ciśnieniomierze, systemy GPS itp.), przez motoryzacyjne (czujniki paliwa, czujniki uderzeń, czujniki hamulcowe, czujniki okienne), do oprzyrządowania przemysłowego i medycznego (czujniki pozycji zaworów, temperaturowa kalibracja systemów, EKG). Środowisko, w jakim te czujniki działają, jest nasycone zaburzeniami EMI, harmonicznymi zmiennego napięcia zasilającego, prądami pętli uziemiających i impulsami przepięć elektrostatycznych, podczas gdy sygnały przez nie dostarczane są stosunkowo małe. Interfejs analogowy czujnika jest zatem skomplikowany, a musi dokładnie dotrzymywać specyfikacji, ignorując równocześnie zjawiska zakłócające. Dla osiągnięcia powodzenia na rynku musi także być tani, niewielki i oszczędny w poborze prądu zwłaszcza, gdy jest zasilany z baterii.

Czy wzmacniać?

Rys. 2. Ograniczenia charakterystyki przenoszenia wzmacniacza pomiarowego mają miejsce przy różnych napięciach wspólnych (przy dużym wzmocnieniu "oczko" zostaje ściśnięte

Projektanci systemów pragną zwykle, aby analogowe połączenia były możliwie krótkie, w nadziei na zachowanie odporności sygnału na zakłócenia zewnętrzne. Obwody cyfrowe są zazwyczaj, choć nie zawsze, odporne na zakłócenia. Dawniej w dłuższych połączeniach analogowych stosowano sekwencyjne przetwarzanie sygnałów. Na przykład w jednym stopniu zapewniano wzmocnienie różnicowe, ale bez tłumienia sygnału wspólnego, a w drugim jego tłumienie, ale bez wzmocnienia różnicowego. W obwodach analogowych, zasilanych podwójnym wyższym napięciem, wymagania stosunku sygnału do szumu są lżejsze. Potrzeby skrócenia połączeń analogowych, użycia pojedynczego i niższego napięcia zasilania, wymusiły ewolucję architektury tych konstrukcji.

Już w początkowej fazie projektowania systemu trzeba zdecydować, czy przetwornik A/C (ADC) powinien komunikować się bezpośrednio z czujnikiem. Takie bezpośrednie połączenie ma w niektórych aplikacjach spore zalety. Na przykład mostki o wysokiej rezystancji mogą być zasilane z wewnętrznych źródeł wzorcowych, którymi często dysponują przetworniki. W niektórych nowoczesnych ADC mieszczą się ponadto bufory lub PGA (wzmacniacze o programowalnym wzmocnieniu) o wysokiej impedancji wejściowej, chroniące sygnał czujnika przed obciążeniem i przed impulsami obwodów próbkujących ADC.

Przez użycie wzmacniacza pomiarowego w roli interfejsu czujnika z ADC odnosi się liczne korzyści:
-wzmacnianie słabych sygnałów analogowych w ich źródle poprawia stosunek sygnału do szumu, zwłaszcza gdy czujnik jest oddalony od ADC,
-liczne wysokiej jakości ADC nie mają dużej impedancji wejściowej, wymagają zatem sterowania ze źródeł o niskiej impedancji wyjściowej. Bez pośrednich stopni wzmacniających ich działanie może być zakłócane impulsami prądu wejściowego, czy niedopasowaniem rezystancji,
-dodatkowy wzmacniacz ułatwia usprawnienie kondycjonowania sygnału (np. filtrowanie) dla aplikacji,
-najkorzystniejszy dla ADC półprzewodnikowy proces produkcyjny niekoniecznie jest najkorzystniejszy dla wzmacniacza,
-wzmocnienie wprowadzane przez wzmacniacz pomiarowy ułatwia sprzężenie czujnika z ADC, łagodząc systemowe ograniczenia i obniżając koszt. Na przykład niewzmacniany sygnał czujnika może wymagać użycia znacznie droższego ADC o wyższej rozdzielczości.

Małe niezrównoważenie to duża zaleta

Rys. 3. Na architekturę pośredniego prądowego sprzężenia zwrotnego we wzmacniaczach pomiarowych składają się dwa dopasowane wzmacniacze transkonduktancji i wzmacniacz o wysokim wzmocnieniu.

Podręczniki doskonale opisują wspaniały świat. Wszystkie niewiadome równania mogą zostać obliczone, a wszelkie pytania znaleźć odpowiedzi. Ale świat rzeczywisty to długie godziny spędzone w laboratorium przy uruchamianiu układów analogowych, często nad już gdzieś rozwiązanymi problemami.

Użycie wzmacniacza pomiarowego do wzmacniania sygnałów czujnika to borykanie się z rozmaitymi odchyleniami napięcia stałego w tym wzmacniaczu. Chyba najważniejszym z nich jest efekt niezrównoważenia napięć wejściowych. Wszystkie pozostałe błędy są z nim porównywane. Współczynnik tłumienia wpływu stałego napięcia wspólnego (CMMR) jest wejściowym napięciem niezrównoważenia, spowodowanym zmianą napięcia wspólnego, a współczynnik tłumienia wpływu napięcia zasilania (PSRR) jest wejściowym napięciem niezrównoważenia, spowodowanym zmianą napięcia zasilania.

Nawet jeśli wejściowe napięcie niezrównoważenia zostanie określone w trakcie produkcji chipu, dryf tego napięcia (pod wpływem temperatury i czasu) ma większe znaczenie, niż ono samo. Wpływy tego dryfu najlepiej można zmniejszyć za pośrednictwem aktywnych obwodów w układzie scalonym.

Prawdopodobnie jedynym i najpoważniejszym źródłem błędów zmiennoprądowych w obwodach pomiarowych są szumy, nieodłączne od chipu i procesu. W większości przypadków sygnały czujnika są wzmacniane w modułach o wysokim wzmocnieniu, szumy są zatem wzmacniane w tym samym stopniu. Szumy pojawiają się w dwóch formach, szumu różowego (zwanego także szumem 1/f lub migotania) i szumu białego. Szum różowy jest obecny głównie przy niższych częstotliwościach (<100Hz), a biały decyduje o parametrach chipu w pasmach częstotliwości wyższych.

W tradycyjnych niskoszumowych układach analogowych w obwodach wejściowych preferowane są zwykle tranzystory bipolarne, zwłaszcza gdy ważne jest utrzymanie niskiego poziomu szumu różowego. Szum ten powstaje w wyniku rekombinacji defektów na powierzchni półprzewodnika. Zatem szumy układów CMOS są większe, a ich częstotliwość odcięcia jest wyższa niż układów bipolarnych. Częstotliwością odcięcia nazywa się częstotliwość zrównania gęstości szumów różowych i białych.

Większość czujników wymaga wysokiej impedancji wejściowej wzmacniacza, co preferuje na wejściu wzmacniacze pomiarowe CMOS, charakteryzujące się wyższymi szumami niskiej częstotliwości. Na szczęście techniki układów zerodryfowych, służące do ciągłej eliminacji wejściowego napięcia niezrównoważenia, do pewnego stopnia eliminują także wejściowe szumy różowe.

Nowa architektura wzmacniaczy pomiarowych

Rys. 4. Jako czujnika dużego natężenia prądu zasilającego rdzeń w aplikacjach komputerowych można użyć wzmacniacza prądowego z czujnikiem prądu, umieszczonym od strony zasilania.

W tradycyjnych wzmacniaczach pomiarowych do utworzenia wejściowego wzmacniacza buforowego i stopnia wyjściowego używa się trzech wzmacniaczy operacyjnych rys. 1. Buforowy stopień wejściowy zapewnia wysoką impedancję wejściową, wzmocnienie w pełni różnicowe i równe jedności wzmocnienie sygnału wspólnego. Różnicowy wzmacniacz wyjściowy zapewnia wzmocnienie różnicowe równe jedności i równe zeru wzmocnienie sygnału wspólnego. Taki wzmacniacz całkiem dobrze sprawuje się w wielu aplikacjach, ale jego prostota kryje dwie znaczące wady. Jego użyteczny zakres tłumienia wejściowego napięcia wspólnego jest ograniczony, podobnie jak i jego współczynnik tłumienia wpływu zmiennego napięcia wspólnego.

Charakterystyka przenoszenia wzmacniacza, skonstruowanego z trzech wzmacniaczy operacyjnych (rys. 2), podlega istotnym ograniczeniom. Konfiguracja tego układu, przy niektórych kombinacjach wejściowego napięcia wspólnego i wejściowego napięcia różnicowego, powoduje nasycanie się wzmacniaczy buforujących W1 i W2 na poziomie napięć zasilających. W takich warunkach przestaje on oczywiście tłumić napięcia wspólne. W związku z tym, w danych technicznych trójwzmacniaczowych wzmacniaczy pomiarowych są dołączane wykresy użytecznego zakresu współzależności napięcia wspólnego i napięcia wyjściowego. Ponieważ napięcie wyjściowe jest skalowalnym odzwierciedleniem wejściowego napięcia różnicowego, wykres ten może być przedstawiany jako „współzależność wejściowego napięcia wspólnego i wejściowego napięcia różnicowego”. Zabarwiony obszar sześciokąta (rys. 2) przedstawia użyteczny zakres działania wzmacniacza, w którym wyjścia wzmacniaczy W1 i W2 nie są nasycone. Warto tu zwrócić uwagę na wynikającą z tego rysunku ważną dla układów zasilanych pojedynczym napięciem obserwację. Napięcia wspólne mogą łatwo obniżać się do masy układu, której zabarwiony obszar nie obejmuje! W niektórych aplikacjach (związanych np. z odbiorem sygnału czujnika prądu, umieszczonego od strony masy) tradycyjne trójwzmacniaczowe wzmacniacze pomiarowe nie mogą być używane, ponieważ wejściowe napięcie wspólne jest na potencjale masy.

W trójwzmacniaczowych układach pomiarowych silne tłumienie stałoprądowych sygnałów wspólnych jest osiągane przez dobranie w chipie rezystorów wzmacniacza różnicowego, ale konfiguracja ich sprzężenia zwrotnego może znacznie zmniejszyć tłumienie zmiennoprądowych sygnałów wspólnych. W celu przezwyciężenia tej wady opracowano alternatywne architektury. Spore uznanie na przykład zyskało zastosowanie pośredniego prądowego sprzężenia zwrotnego 2-g_m, (rys. 3). W rozwiązaniu tym użyto dwóch dopasowanych wzmacniaczy transkonduktancji i wzmacniacza o dużym wzmocnieniu. Ponieważ dopasowane wzmacniacze mają to samo g_m, napięcia różnicowe na ich wejściach są jednakowe, napięcie wyjściowe jest zatem wyznaczone stosunkiem rezystancji dzielnika Rf/Rg. Wyjściowe napięcie wspólne jest ustalone napięciem na wyprowadzeniu Ref. Dzięki przetwarzaniu napięcia w prąd, realizowanym w wejściowym wzmacniaczu g_m, wejściowe stałe i zmienne napięcia wspólne są oczywiście tłumione. Architektura pośredniego prądowego sprzężenia zwrotnego pozwala napięciu wyjściowemu zmieniać się w pełnym zakresie, nawet gdy wejściowe napięcie wspólne dochodzi do ujemnego napięcia zasilania. Tak skonstruowane wzmacniacze pomiarowe charakteryzują się szerokim zakresem działania, nieosiągalnym dla konfiguracji trójwzmacniaczowej. Układy takie, oferowane przez Maxim Integrated Products, to MAX4460/1/2, czy MAX4208/9.

Techniki eliminacji niezrównoważenia napięcia wejściowego

Jak wyżej wspomniano, dwa ważne parametry wzmacniaczy pomiarowych to szum różowy (zwany także szumem 1/f lub szumem migotania) i wejściowe napięcie niezrównoważenia oraz jego dryf (zależny od temperatury i czasu). Szum 1/f jest zjawiskiem niskiej częstotliwości, więc wiele technik układowych, prowadzących do osiągnięcia „zerowego dryfu” i eliminacji niezrównoważenia napięcia wejściowego usuwa także szum 1/f. Technikami tymi posługują się wzmacniacze próbkujące, wzmacniacze samozerujące się, wzmacniacze z przerywaniem (chopper amplifier), wzmacniacze stabilizowane przerywaniem i wzmacniacze z przerywaniem stabilizowane z przerywaniem (np. MAX4208).

Techniki próbkowania, oparte na przełączaniu pojemności (flying capacitor), próbowano zastosować również do układów pomiarowych z myślą o autokorekcji wejściowego napięcia niezrównoważenia. Ponieważ jednak próbkowane wejście nie jest w rzeczywistości strukturą o wysokiej impedancji, niedopasowanie rezystancji źródeł, na przykład w niektórych niezrównoważonych mostkach, może zagrozić dokładności na poziomie systemowym.

Zastosowania - pomiary mostkowe

Odmianą standardowego mostkowego systemu pomiarowego jest mostkowy stosunkowy (ratiometric bridge) układ pomiarowy, który cechuje się podobnie dużą dokładnością, ale jest tańszy. Jego koszt jest niższy, ponieważ do wspólnego zasilania mostka i ADC nie jest wymagane źródło wzorcowe. Wystarczy zwykłe źródło, nawet mało dokładne i zależne od temperatury, na przykład zasilacz napięcia systemowego.

Dobrze wiadomo, że nawet wzmacniacz operacyjny z wyjściem „rail-to-rail” z trudem zapewnia pełną dokładność wyjściową przy sygnale mieszczącym się w granicach kilkuset miliwoltów od skrajnych napięć zasilania. Wzmacniacz o szerokim zakresie dynamiki, z unipolarnym sygnałem wejściowym, musi mieć wyjście spolaryzowane około 250mV powyżej masy. To napięcie polaryzujące jest doprowadzone do łańcucha rezystorów, musi więc być dostarczane przez bufor o małej impedancji wyjściowej, odporny na obciążenie. Buforujący wzmacniacz operacyjny o wzmocnieniu równym jedności musi oczywiście charakteryzować się małym stałym napięciem niezrównoważenia i małym dryfem.

Wzmacniacz pomiarowy firmy Maxim (MAX4208) zawiera precyzyjny bezdryfowy buforujący wzmacniacz operacyjny oraz wzmacniacze z pośrednim prądowym sprzężeniem zwrotnym 2-g_m w małej obudowie μMAX. Bufor ten umożliwia użycie prostego zewnętrznego dzielnika rezystorowego do dostarczania stabilnego polaryzacyjnego napięcia odniesienia, proporcjonalnego do napięcia odniesienia ADC. Wewnętrzna architektura wzmacniacza pomiarowego jako wzmacniacza z przerywaniem stabilizowanym przerywaniem eliminuje efekty szumu różowego zarówno w buforującym wzmacniaczu operacyjnym, jak i we wzmacniaczach g_m, toru głównego i toru sprzężenia zwrotnego. MAX4208 może być wprowadzany w tryb wyłączenia, co jest użyteczne w zastosowaniach wrażliwych na oszczędność zasilania.

Pomiary natężenia prądu

Rosnące potrzeby aktywnego zarządzania zasilaniem współczesnych przenośnych urządzeń elektronicznych doprowadziły do wznowienia zainteresowania wzmacniaczami dla czujników natężenia prądu. Wzmacniacza pomiarowego z czujnikiem uziemienia można użyć jako wzmacniacza z czujnikiem prądowym, umieszczonym od strony zasilania (high-side current sense) napięcia rdzeniowego modułu pamięci lub mikroprocesora (rys. 4), lub jako wzmacniacza pomiarowego z czujnikiem prądowym, umieszczonym od strony masy w łączu powrotnym przetwornikowego zasilacza z mostkiem H. Ekstremalnie duże natężenia prądu w tych zastosowaniach (dochodzące czasem do 90A) wymagają ekstremalnie małych spadków napięcia na czujniku, aby ograniczyć traconą w nim moc. Bardzo często czujnikiem tym jest po prostu równoważna rezystancja szeregowa cewki indukcyjnej zasilacza. Aby dokładnie odczytać i wzmocnić tak małe napięcie czujnika, wejściowe napięcie niezrównoważenia wzmacniacza musi być niezwykle małe w porównaniu z najmniejszym napięciem na czujniku (przy najmniejszym natężeniu prądu).

Napięcie zasilania rdzeni w sprzęcie komputerowym wynosi od 0,9V do 1,5V. W takich warunkach małe napięcie na czujniku musi być mierzone w obecności małego i zmiennego napięcia wspólnego. Wzmacniacz pomiarowy, taki jak MAX4208 z małym napięciem niezrównoważenia, wysokim CMMR i architekturą zoptymalizowaną do pojedynczego zasilania jest do tego celu idealny. (KKP)