Практическое использование инструментальных усилителей
Рекомендуемый уровень
начинающий
Зачем использовать инструментальные усилители «инструментального пояса» знаний и приложений для компонентов, схемных схем и решения проблем. Когда вы столкнулись с проблемой, успешный инженер узнает, какие инструменты использовать для достижения цели дизайна
Один из таких инструментов, каждый EE должен иметь на своем поясе измерительные усилители или усилители. Инструментальные усилители играют жизненно важную роль во многих дисциплинах электротехники; все, от промышленной автоматизации производства до высокоточных медицинских устройств, использует измерительные усилители в своих интересах. Прежде чем мы перейдем ко всем приложениям, мы должны вкратце рассмотреть конструкцию измерительных усилителей и зачем им использовать их на обычных ОУ, которые обычно дешевле.
Давайте сначала рассмотрим классическую схему дифференциального усилителя:
Эта настройка может быть достаточной для некоторых дифференциальных приложений; он может усилить мостовой сигнал и может иметь хороший CMRR, но у него есть несколько проблем. Во-первых, мы можем ясно видеть, что входные импедансы не приближаются к бесконечности; на самом деле входное сопротивление на инвертирующем входе относительно невелико. Входные импедансы в этой конфигурации не совпадают, и иногда могут быть очень большие различия во входном импедансе по сравнению с неинвертирующим входом. Эта настройка также требует очень тщательного согласования резисторов и балансировки импеданса источника. Конечно, мы могли бы увеличить входной импеданс, сделав резисторы обратной связи очень большими, но 1M Ohm R1 и R2 потребуют, чтобы Rf и Rg были 100M Ohm, чтобы достичь коэффициента усиления 100; усиление очень малых сигналов обычно занимает больше, чем это. Использование больших резисторов также создает новые проблемы. Большие резисторы являются шумными, и очень трудно сопоставить большие резисторы с большой точностью; кроме того, большие резисторы могут вызывать паразитную емкость, что отрицательно скажется на CMRR на высоких частотах.
Решением было бы использовать неинвертирующие буферы перед входом, но мы все равно хотели бы получить более высокий выигрыш. Введите приборный усилитель, как показано ниже:
Оба буферных усилителя обеспечивают почти бесконечный входной импеданс, а также коэффициент усиления, в то время как дифференциальный усилитель создает дополнительный уровень усиления и односторонний выход. Результатом является схема с очень высоким CMRR, высоким коэффициентом усиления и входным импедансом порядка 1010 Ом.
Приложения для измерения
Одно из применений, для которых используются эти схемы, - это измерения с датчиков и преобразователей. Измерительные усилители превосходят при извлечении очень слабых сигналов из шумных сред; поэтому они часто используются в схемах, в которых используются датчики, которые проводят измерения физических параметров. Нагрузочные ячейки для измерения давления часто используются с измерительными усилителями, потому что весоизмерительные ячейки обычно плавающие, что означает, что они не имеют прямого соединения с землей. Инструментальный усилитель может усиливать плавающие сигналы, поскольку он только усиливает разницу между двумя входными терминалами. Ячейки нагрузок часто реализуются в конфигурации моста Уитстона, что является очень распространенным примером плавающего дифференциального сигнала; эта конфигурация изображена ниже, где R2 является изменяющимся элементом, создавая дифференциальное напряжение между узлами C и B.
Почти любой датчик может извлечь выгоду из конструкции измерительного усилителя, термопар, фотодиодов, термисторов, даже обычный кремниевый диод можно использовать в качестве простого температурного датчика, помещая его в мостовую схему, подающую измерительный усилитель. Когда диод нагревается, прямое напряжение падает, создавая дифференциальный сигнал, который можно усилить. Причина, по которой мостовая схема имеет решающее значение с датчиками и измерительной аппаратурой, - шум общего режима; схема с обычным операционным усилителем и датчик через входы будут работать как усилитель, но было бы очень шумно. Это является причиной того, что инструментальные усилители так часто используются для подачи входных сигналов АЦП. Любой PIC или Arduino имеет входы, которые могут быть сконфигурированы как аналоговые входы, но это несимметричные входы, которые не могут отменить сигналы синфазного сигнала. Инструментальный усилитель может извлекать и усиливать слабые сигналы датчика из шумной среды и подавать чистый односторонний выход в АЦП. Это импорт при работе с микроконтроллерами, поскольку любой дополнительный шум вызовет неустойчивое преобразование, в дополнение к трате драгоценных битов АЦП.
Биомедицинские применения
Если у вас когда-либо было какое-либо электронное оборудование, подключенное к вам в больнице, вы подключены к датчикам, работающим с помощью измерительного усилителя. Эти схемы находят широкое применение почти в каждом медицинском устройстве, как для ранее упомянутых преимуществ, так и для того, что измерительные усилители также являются устройствами с точной регулировкой.
Измерительные усилители не требуют внешних резисторов обратной связи; вместо этого они имеют резисторы с лазером, изготовленные на самой ИС, используя только один резистор настройки внешнего усиления для настройки коэффициента усиления, устраняя несоответствия резисторов. Это позволяет устройству получить свой коэффициент усиления на точное число, основанное на потребностях схемы. Большинство биомедицинских датчиков имеют очень высокий импеданс и генерируют крошечные сигналы, такие как датчики артериального давления, ультразвуковые преобразователи, поляризованные и неполяризованные электроды и датчики радиационной термометрии.
Эти датчики требуют очень высокого импеданса, предъявляемого измерительным усилителем, поскольку характеристики биопотенциальных электродов могут подвергаться нагрузкам, что может вызвать искажение сигнала. Кроме того, усилители должны иметь высокий уровень шумоподавления; больницы - одна из самых электрически шумных сред, с которыми должен работать датчик, с сотнями беспроводных устройств, работающих поблизости, и когда-либо присутствующих 60-ти циклов шума от источников света и сети. Эти беспорядочные шумовые сигналы часто на порядок превышают сигнал от биопотенциального электрода, который сам по себе будет всего в несколько милливольт. Легко узнаваемое медицинское применение для таких усилителей, как электрокардиография или ЭКГ; которые контролируют изменения в дипольном электрическом поле сердца. Ниже приведена версия аппаратного усилителя AD82X аналогового устройства в ЭКГ из их руководства по применению.
Все три измерительных усилителя извлекают различия в сигналах от электродов датчиков, в то время как последний электрод «F» действует как земля. Измерительные усилители используются для этого устройства, потому что биопотенциальные электроды захватывают огромное количество шума линии электропередачи, которое необходимо отклонить, чтобы устройство могло давать точные показания.
Промышленные применения
Инструментальные усилители также находят применение в промышленной автоматизации, где многие системы используют ток для ретрансляции измерений и управления удаленными установками. В начале двадцатого века промышленные комплексы использовали бы давление воздуха для управления удаленными машинами, используя 3-15psi в качестве полного диапазона, где 3psi представляет 0%, систему и 15psi на 100%. Все, что меньше 3psi, означает, что система отключена или нестабильна и вызовет тревогу. Теперь отраслевым стандартом является использование постоянного тока, аналогичного давлению воздуха, с диапазоном 4 мА-20 мА. Кстати, если вы когда-нибудь задавались вопросом, что эта кнопка на многих наших мультиметрах была прочитана «4-20mA», теперь вы знаете. В этом приложении ток измеряется таким образом, что два устройства с дистанционным подключением могут связываться, даже если они имеют разные основания. Чтобы это работало, выходной усилитель для линии передачи должен работать очень линейно относительно входного сигнала и отклонять любые помехи, вызванные несоответствующими причинами; идеальный кандидат на измерительный усилитель. Ниже приведена упрощенная схема встроенного измерительного усилителя, используемого в этом приложении, схема, известная как передатчик тока.
На этом чертеже U1 представляет собой линию передачи с потерями, а R2 является устройством на приемном конце, которое преобразует ток в некоторую команду или значение измерения.
В дополнение к этому промышленному применению большие контроллеры двигателей также оснащены измерительными усилителями. Обычно используемые для измерения тока в H-мосте, плавающие входы измерительного усилителя делают идеальную платформу для двигателей, так как двигатели обычно не привязаны к земле.
Вывод
Измерительные усилители используются практически во всех областях электроники; они выполняют определенную роль в цепях, нуждающихся в преимуществах высокого входного импеданса с хорошим коэффициентом усиления, обеспечивая подавление синфазного шума и полностью дифференциальные входы. При таком широко распространенном использовании это устройство, которое должен иметь каждый инженер в своем поясе.