Wzmacniacze pomiarowe PGA – wskazówki dla projektantów

| Technika

Wzmacniacze pomiarowe (instrumentation amplifiers, IA) – to użyteczne komponenty o wszechstronnym zastosowaniu, zwykle używane do kondycjonowania sygnału podawanego na przetwornik analogowo-cyfrowy. W wielu przypadkach z ich użyciem tworzy się wzmacniacze o programowanym (ustalanym) wzmocnieniu (PGIA), które pozwalają na dostosowanie parametrów obwodów wejściowych do szerokiej gamy czujników lub warunków środowiskowych, wybór zakresu pomiarowego lub realizację pomiarów przy różnych ustawieniach w celu poprawy zakresu dynamicznego lub redukcji szumów.

Wzmacniacze pomiarowe PGA – wskazówki dla projektantów

W artykule pokazano problemy, które można napotkać przy projektowaniu obwodów ustalających wzmocnienie i zaprezentowane zostaną techniki, jak stworzyć możliwie doskonały, precyzyjnie działający wzmacniacz o programowalnym wzmocnieniu.

Na rysunku 1 przedstawiono architekturę wewnętrzną typowego wzmacniacza pomiarowego. Jego wzmocnienie jest ustawiane zewnętrznym rezystorem RG. Aby w takim układzie otrzymać w aplikacji wzmacniacz ze wzmocnieniem programowalnym, wystarczy zmieniać wartość RG. Odbywa się to zwykle za pomocą dodatkowego przełącznika analogowego lub multipleksera. Jednak przełącznik analogowy z kluczami wykonanymi w postaci tranzystorów MOSFET nie jest idealny, bo ma niezerową rezystancję w stanie włączenia, a do tego wnosi do układu pasożytniczą pojemność i rezystancja kanału tranzystora zmienia się w funkcji napięcia na przełączniku.

Jedna z popularnych odmian standardowej architektury takiego wzmacniacza pokazana została na rysunku 2. Piny dla ustalenia wzmocnienia przez RG są tutaj rozdzielone na 4 końcówki jako ±RG-S i ±RG-F i dostępne jako oddzielne końcówki w obudowie.

 
Rys. 1. Schemat blokowy wzmacniacza pomiarowego
 
Rys. 2. Obudowa układu LT6372-1 umożliwia dostęp za pomocą wydzielonych pinów do niektórych obwodów wewnętrznych

Przydatną i ważną cechą tego rozwiązania jest możliwość skonfigurowania wzmacniacza tak, aby mógł łatwo przełączać się między kilkoma różnymi ustalonymi wartościami wzmocnienia, przy minimalnym błędzie wzmocnienia wynikającym ze skończonych rezystancji przełączników w postaci kluczy MOSFET. Ta funkcjonalność może służyć do tworzenia na jego bazie precyzyjnego wzmacniacza programowalnego (PGIA).

Jak wspomniano wcześniej, każdy rezystor ustalający wzmocnienie musi mieć możliwość zmiany wartości poprzez odpowiednie przełączanie jego wartości jako elementu zewnętrznego. Istnieją jednak poważne problemy do pokonania przy tym sposobie regulacji, takie jak:

  • pojawiający się duży błąd wzmocnienia spowodowany niezerową wartością rezystancji w stanie załączania (RON) przełącznika i jej wahaniami w funkcji napięć, temperatury itp.,
  • duże wzmocnienie może być niemożliwe do osiągnięcia ze względu na wymagane dla niego małe wartości RON,
  • zniekształcenia sygnału spowodowane nieliniowością charakterystyki tego przełącznika. Dzieje się tak, ponieważ sygnał mierzony/wzmacniany podawany jest do wzmacniacza bezpośrednio przez wartość RON (w praktyce jest to otwarty kanał tranzystora MOSFET), a zatem każda zmiana amplitudy sygnału wejściowego powoduje powstanie zniekształceń.
 
Rys. 3. LT6372-1 pracujący jako PGIA z czterema ustawieniami wzmocnienia w układzie mostka Wheatstone'a

Układ LT6372-1 może złagodzić negatywne skutki takich zjawisk, gdy zostanie skonfigurowany do pracy jako wzmacniacz PGIA w sposób pokazany na rysunku 3, a więc gdy wykorzysta się to, że piny RG, F i RG, S są rozdzielone. Na zaprezentowanym schemacie sygnał z wyjścia mostka Wheatstone'a, składającego się z oporników R5 do R8, jest dalej wzmacniany z użyciem czterech możliwych wartości wzmocnienia wybieranych przez użytkownika w zależności od stanu (pozycji) przełącznika SW1. Wówczas wartość wzmocnienia ustala stosunek RF/RG.

Ponadto wpływ niezerowej RON przełączników U1, U2 na błąd wzmocnienia jest tutaj zminimalizowany, ponieważ pasożytniczą szeregową rezystancję przełącznika (o relatywnie małej wartości) umieszczono szeregowo z wejściem odwracającym stopnia wejściowego i obecnym tam rezystorem sprzężenia zwrotnego (o dużej wartości).

 
Rys. 4. Schemat blokowy LT6372-1 i połączenia zewnętrzne w ramach PGIA (nie pokazano przełączników ustalających wzmocnienie)

W ten sposób, RON stanowi tylko niewielki procent całkowitej wewnętrznej rezystancji sprzężenia zwrotnego wynoszącej 12,1 kΩ, a zatem ma też niewielki wpływ na błąd wzmocnienia i dryf temperaturowy. Z tego samego powodu poziom zniekształceń spowodowany nieliniowością przełącznika (czyli zależnością RON od napięcia we-wy) jest zminimalizowane, ponieważ wartość RON stanowi drobny ułamek całkowitej wartości rezystancji sprzężenia zwrotnego, a nawet jeśli się zmienia, to i tak ma to niewielki (lub żaden) wpływ na sumę. Ponadto w stopniu wejściowym tego układu pracuje wzmacniacz z prądowym sprzężeniem zwrotnym (current feedback amplifier, CFA), który ze swej natury zapewnia mniejsze wahania szerokości pasma, szybkości zmian napięcia wyjściowego, w porównaniu z tradycyjnym wzmacniaczem ze napięciowym sprzężeniem zwrotnym. Szerokość pasma zamkniętej pętli w układach CFA jest odwrotnie proporcjonalna do wartości RF, podczas gdy w wersjach ze sprzężeniem napięciowym jest odwrotnie proporcjonalna do wzmocnienia (RF/RG). To wszystko daje możliwość stworzenia precyzyjnego wzmacniacza typu PGIA z ustalonymi dokładnymi wartościami wzmocnienia przy użyciu tanich zewnętrznych przełączników sygnałów analogowych bazujących na kluczach z tranzystorami MOSFET.

Rysunek 4 pokazuje uproszczony schemat wzmacniacza PGIA, który demonstruje, jak drabinka rezystorowa z odczepami dołączanymi za pomocą przełączników analogowych (łącznie osiem) pozwala ustawić wzmocnienie. Na rysunku dwa banki przełączników są przedstawione w jednej z czterech możliwych wartości wzmocnienia, to znaczy z pinami –RG, S i + RG, S zwartymi do RF3 / RF4.

Obliczenie rezystorów zewnętrznych dla dowolnej wartości wzmocnienia

Rysunek 3 przedstawia pełne rozwiązanie układowe PGIA, w tym wymagane przełączniki, które mogą obsłużyć dowolnie duży zakres wartości wzmocnienia. Realizuje on cztery możliwe wartości, ale można to zwiększyć, dodając więcej przełączników. Jak wspomniano wcześniej, dostęp do pinów RG, F i RG, S umożliwia zwiększenie wartości RF przy wymaganym dużym wzmocnieniu i zmniejszenie RG dla małych wartości wzmocnienia. Dla celów obliczenia wzmocnienia można przyjąć, że rezystor sprzężenia zwrotnego to wewnętrzna rezystancja 12,1 kΩ plus inne rezystancje połączone szeregowo z RG, F na drodze do pinu RG, S. I odwrotnie, rezystor nastawczy wzmocnienia to całkowita rezystancja między + RG, S i –RG, S.

Można to podsumować jako:

RF = 12,1 kΩ + rezystancja między RG, F i RG, S w każdym z dwóch wzmacniaczy wejściowych, RG = oporność między + RG, S i –RG, S.

W tej konfiguracji możliwe jest ustalenie wzmocnienia od 1 do 1000 V/V. Przy przełącznikach U1 i U2 łączących piny S3 i D3 odpowiednie wartości RF i RG oraz wynikający z nich wzmocnienie to:

RF = 12,1 kΩ + 11 kΩ + 1,1 kΩ = 24,1 kΩ
RG = 73,2 Ω + 97,6 Ω + 73,2 Ω = 244 Ω
G = 1+ 2RF/RG = 1 + 2 × 24,1 kΩ/244 Ω = 199 V/V.

Łatwo zauważyć, że ustalenie, jakich wartości rezystorów zewnętrznych należy użyć, jest procesem iteracyjnym i współzależnym, w którym możliwe wartości wzmocnienia oddziałują na siebie i wpływają na wybór stosowanych rezystorów. Niektóre typowe wartości są pokazane w tabeli 1.

Procedura ustalania wartości wzmocnienia w PGIA

Wartości poszczególnych rezystorów ustalających wzmocnienie można obliczyć iteracyjnie, korzystając ze wzoru podanego w równaniu 1. Określa ono wartości zgodnie z rysunkiem 3, a przypadek numer 2 podany w tabeli 1 (wzmocnienia 2, 20, 200 i 500 V/V) jest traktowany jako przykład. Rezystory w pętli sprzężenia zwrotnego i ustalające wzmocnienie są dobierane interaktywnie, w związku z tym formuła jest iteracyjna, tzn. wartość bieżąca zależy od poprzedniej:

Symbole we wzorze to: RF1 = 12,1 kΩ (wewnętrzna wartość w LT6372-1), M – liczba dostępnych wartości wzmocnienia (w tym przypadku 4), GI – wzmocnienie (odpowiednio 2, 20, 200 lub 500 V/V dla G1–G4 w tym przykładzie), i – od 1 do (M–1) do obliczania Rfi+ 1.

Symbole we wzorze to: RF1 = 12,1 kΩ (wewnętrzna wartość w LT6372-1), M – liczba dostępnych wartości wzmocnienia (w tym przypadku 4), GI – wzmocnienie (odpowiednio 2, 20, 200 lub 500 V/V dla G1 – G4 w tym przykładzie), i – od 1 do (M–1) do obliczania Rfi+ 1.

Równanie 1 można wykorzystać do obliczenia niezbędnych rezystorów sprzężenia zwrotnego dla dowolnego zestawu wymaganych wzmocnień. Zmienna j służy jako licznik do przechowania sumy wartości rezystorów sprzężenia zwrotnego w poprzednim kroku.

Przed wykonaniem obliczeń zaleca się narysowanie sieci rezystorów podobnie do tego z rysunku 3. Sieć będzie miała (2 × M) – 1 rezystorów, gdzie M to liczba wymaganych wartości wzmocnień. W tym przykładzie M = 4, a zatem łańcuch rezystorów będzie miał ich siedem. Równanie 1 należy użyć dla i = 1 → (M–1).

G1 = 2, G2 = 20, G3 = 200, G4 = 500 V/V

Z równania 2:

Za pomocą równania 1 iteracyjnie od i = 1 → (M–1)

Środkowy rezystor RG można następnie obliczyć przy użyciu:

Za pomocą tej ostatniej formuły obliczane są wszystkie cztery wartości rezystorów przedstawione w tabeli 1 i obliczenia projektowe są zakończone.

Ocena wyników

Na rysunkach 5–7 pokazano kilka wykresów ilustrujących uzyskane rezultaty. Rysunek 5 przedstawia charakterystykę przenoszenia wzmacniacza PGIA w funkcji częstotliwości dla dużych sygnałów, a rysunek 6 zmiany współczynnika tłumienia sygnałów wspólnych w funkcji częstotliwości.

Przy obecnej pojemności własnej przełącznika analogowego ADG444 oraz przy najniższym wzmocnieniu (G1 = 2 V/V), odpowiedź częstotliwościowa dla małych sygnałów wykazuje pewne znaczące wartości szczytowe (patrz rys. 7). To zjawisko pojawia się tylko przy niższych ustawieniach wzmocnienia, gdzie szerokość pasma LT6372-1 jest wystarczająco duża, aby oddziaływała na nią pojemność przełącznika rzędu pikofaradów. Wybór przełącznika o niższej pojemności (na przykład ADG611-613 mające tylko 5 pF) lub alternatywnie ograniczenie najniższego ustawienia wzmocnienia PGIA to sposoby obejścia tego efektu ubocznego.

 
Rys. 5. Odpowiedź częstotliwościowa wzmacniacza PGIA dla dużych sygnałów
 
Rys. 6. Współczynnik CMRR w funkcji częstotliwości
 
Rys. 7. Wzmocnienie w funkcji częstotliwości dla małych sygnałów w PGIA

 

Hooman Hashemi, Analog Devices
Arrow Electronics Poland
tel. 22 558 82 66
www.arrow.com

Dostępne nowe wydanie
Pobierz bezpłatnie