Проектиране на инструментален усилвател


Категория на документа: Други


- грешката от несиметриите.

Монолитните измервателни операционни усилватели са много скъпи поради по- сложния технологичен процес, който се използва за постигане на необходимите параметри. В случаите, когато трябва да се усилват слаби сигнали, придружени с голям синфазен сигнал, с успех се използват измервателни усилватели с три и пет операционни усилватели. Основен източник на синфазен сигнал са индуктираните в сигналния кабел напрежения от магнитни и електрически силови полета. В промишлени условия датчикът на сигнал може да бъде отдалечен на десетки метри от входния усилвател. Тогава синфазният сигнал може да се окаже стотици и хиляди пъти по - голям от сигнала от датчика.
В инструменталните усилватели коефициентът на усилване се получава от вътрешна верига на ОВ, която е изолирана от входните изводи на схемата. Обикновено във веригата на ОВ се включва външен резистор, който задава коефициентът на усилване.

Най - общо инструменталните усилватели се използват в сензорни устройства, микрофонни предусилватели, медицински уреди и други. Измервателните усилватели са предназначени да усилват слаби сигнали с голяма точност. Към тях се поставят изисквания за много малка грешка от несиметриите и от синфазния сигнал.

Основната схема на измервателен усилвател, се състои от две стъпала. Входното (първото) стъпало е диференциален усилвател със симетричен вход и симетричен изход с два операционни усилвателя ОУ1 и ОУ2, обхванати с последователна ООВ чрез резисторите R1 , R2 и R3 , които са в неинвертиращо включване. За синфазния сигнал те са повторители на напрежение. Ако към двата входа на схемата се приложи едно и също напрежение Uсм, ток I през резистора R2 няма да протече или напрежението върху R2 ще бъде нула. Тогава напреженията върху резисторите R1 и R3 също ще бъдат равни на нула. Следователно за коефициента на усилване на синфазните сигнали на входното стъпало се получава:

АCM= 1.

Тогава за коефициента СМRR на входното стъпало се получава:
СМRRI=АU1/АСM1 = АU1

Следователно СMRR1 е максимален, когато АU1 има максимална стойност. Коефициентът на потискане на синфазните сигнали на цялата схема се определя

като произведение от коефициентите на потискане на синфазни сигнали на първото и второто стъпало:

Второто стъпало е диференциален усилвател с един операционен усилвател ОУ3, който преобразува изхода на първото стъпало от симетричен в несиметричен.

Обикновено схемата се реализира като R1 =R3 и .

При условие, че това отношение на резисторите е спазено и АU1 има максимална стойност, коефициентът СМRR е максимален. За целта при реализация на схемата се използват резистори с малки производствени

толеранси и често се избира АU1 =АU и AU2 =1 (). Примерни ИС на инструментални усилватели са: АD627, INА101,INА111 и АD8221.

Тъй като входното и изходното стъпало в схемата са свързани верижно (стъпално), общият коефициент на усилване се получава като произведение от коефициентите на усилване на отделните стъпала. За общото усилване се получава:

При необходимост усилването може да се изменя чрез промяна на резистора R2, без това да повлияе на симетрията на схемата.

2. Съставяне на блокова схема и дефиниране на параметрите на стъпалата:

Коефициентът на усилване на схемата се определя от две стъпала.

3. Проектиране и изчисляване на отделните стъпала и части:

- Определяне на необходимия CMRR:

- Избор на операционни усилватели:
Операционните усилватели ОУ1, и ОУ2 трябва да бъдат с еднакви параметри, за да не влияят разликите в диференциалните им коефициенти на усилване, входните и изходните съпротивления върху появата на синфазен сигнал в изхода. Ето защо ОУ1 и ОУ2 трябва да бъдат изпълнени като монолитна ИС в един корпус. Избират се операционни усилватели с CMRR1,2 (10 до 100) CMRR, като CMRR е изчисленият по формула необходим коефициент на потискане на синфазни сигнали, като:

Чрез тези параметри си избирам ОУ OPA251 на Texas Instrumental

- Изчисляване на необходимата стойност на коефициента на усилване на първото стъпало, който ще осигури едновременно зададените и АF:

За целта се задава толеранс δ на резисторите R4, R4', RF и R'F. CMRR е изчисленият необходим коефициент на потискане на синфазни сигнали, а АF е зададеният коефициент на усилване на схемата, изчисляване на максимално възможния коефициент АFIMAX, при който все още ОУ1 и ОУ2 не са наситени. За целта се използва изразът:

След това се сравняват АFIMAX и АFIнеобх. Ако се окаже, че АFIMAX < АFIнеобх,трябва да се намали АFIнеобх., като за целта се използват резистори R4, R4', RF и R'F с по-малък толеранс δ. Този толеранс се изчислява от:

Чрез изчисления толеранс на резисторите δ, избирам за толеранс δ=2%




Сподели линка с приятел:





Яндекс.Метрика
Проектиране на инструментален усилвател 9 out of 10 based on 2 ratings. 2 user reviews.