Кристина Фортунадо
ВВЕДЕНИЕ
Системы сбора данных (DAQ) находят свое применение во многих отраслях и применяются для широкого спектра задач, таких как исследование, анализ, проверка, производство и тестирование. По своей природе эти системы взаимодействуют с различными датчиками, что создает некоторые проблемы при создании внешнего интерфейса. В таких системах должны быть учтены различные значения чувствительности датчика, например, системе может потребоваться одновременно подключиться к датчику нагрузки, который имеет максимальную выходную мощность 10 мВ и чувствительность к субмикровольтам, а также к датчику, который настроен на выход 10 В. Система должна иметь очень высокое разрешение, чтобы иметь возможность работать с обоими датчиками. Но даже при высоком разрешении придется пожертвовать характеристикой SNR (отношение сигнал / шум).
В подобных приложениях инструментальные усилители с программированием коэффициента усиления (PGIA) являются решением, дающим возможность приспособиться к чувствительности различных датчиков и оптимизировать при этом SNR. Интегрированные PGIA позволяют достичь хороших характеристик при работе как с постоянным, так и с переменным током. В данной статье рассматриваются различные виды интегрированных PGIA и преимущества их использования. Также будут обсуждаться и их недостатки и будут приведены рекомендации по построению дискретного PGIA.
ИНТЕГРИРОВАННЫЕ PGIA
ADI (Analog devices) предлагает своим клиентам ряд интегрированных PGIA. Интегрированные PGIA позволяют сократить время проектирования устройства и сэкономить место на печатной плате. Регулирование коэффициента усиления в данных усилителях производится с помощью встроенных пренцензионных резисторов. Для оптимизации усиления, коэффициента ослабления синфазного сигнала (CMRR) и смещения можно выполнить внутреннюю подстройку этих резисторов, тем самым увеличив производительность при работе в системах постоянного тока. Другим преимуществом использования интегрированных PGIA является, то, что компоновку компонентов уже выполнили на заводе-изготовителе, минимизировав при этом паразитирование элементов схемы, а также обеспечив их согласование. При построении DAQ всегда рекомендуется выбирать интегрированный PGIA, если он соответствует требованиям схемы. В таблице 1 перечислены доступные интегрированные PGIA вместе с некоторыми ключевыми характеристиками.
Выбор PGIA зависит от конкретного приложения. Так, например, AD825x очень полезен в мультиплексированных системах из-за его быстрого времени установления и высокой скорости нарастания, а AD8231 и LTC6915, имеющие архитектуру с нулевым дрейфом, полезны для систем, где требуется высокая точность и работа в широком диапазоне температур.
Таблица 1. Технические характеристики PGIA усилителей
Таблица 2. Технические характеристики системы DAQ
Существует также ряд компонентных решений, которые объединяют в себе мультиплексор, PGIA усилитель и АЦП и формируют тем самым законченную систему сбора данных. Примерами таких систем являются микросхемы ADAS3022, ADAS3023 и AD7124-8
Выбор какой-либо из этих микросхем в основном зависит от характеристик источников входного сигнала. Так, AD7124-8 разработан для небыстродейственных систем, таких как измерение температуры и давления, требующих высокой точности. ADAS3022 и ADAS3023 применяются в приложениях с относительно высокой пропускной способностью, таких как управление процессами или мониторинг линий электропередач. Однако они потребляют больше энергии по сравнению с AD7124-8
РЕАЛИЗАЦИЯ ДИСКРЕТНОГО PGIA
Существуют, однако, системы, которые требуют соответствия характеристикам, которые не достижимы с вышеупомянутыми интегрированными устройствами. Следующие требования, например, потребуют от пользователя создания собственной PGIA с использованием дискретных компонентов:
· Высокая скорость сканирования в мультиплексированных системах с высокой пропускной способности
· Сверхнизкое энергопотребление
· Возможность регулировки коэффициента усиления
· Низкий входной ток смещения для датчиков с высоким сопротивлением
· Низкий уровень шума
Одним из подходов, обычно используемых при разработке дискретных PGIA, является использование инструментального усилителя с подходящими входными характеристиками (например, низкий уровень шума в AD8421), совместно с мультиплексором для переключения между резисторами и тем самым настройки коэффициента усиления.
В такой конфигурации сопротивление мультиплексора соединено последовательно с резисторами настройки коэффициента усиления. Проблема возникает, когда внутреннее сопротивление мультиплексора изменяется в зависимости от напряжения на стоке. Рисунок 2, взятый из документации на ADG1208, демонстрирует подобную взаимосвязь.
Таким образом, последовательное соединение сопротивления мультиплексора и резистора усиления приводит к нелинейности усиления. Коэффициент усиления будет изменяться вместе с синфазным напряжением, что нежелательно для подобных систем. Например, для AD8421 требуется резистор усиления 1,1 кОм для достижения коэффициента усиления равного 10. Для ADG1208 внутреннее сопротивление составляет порядка 40 Ом при напряжении ± 15 В. Последовательное включение данных сопротивлений приведет к нелинейности усиления около 3%. При увеличении коэффициента усиления данная нелинейность будет расти и станет еще более заметной. В конечном итоге, нелинейность может по значению стать сопоставимой с коэффициентом усиления.
В качестве альтернативы можно использовать мультиплексоры с более низким сопротивлением, чтобы свести к минимуму описанный выше эффект, но в таком случае для сохранения прочих параметров придется увеличить емкость мультиплексора. Таблица 3 сравнивает мультиплексоры ADG1208 и ADG1408, отличающейся по параметрам емкости и сопротивления.
Таблица 3. Сравнение сопротивления и емкости в мультиплексорах ADG1208 и ADG1408
Большая входная емкость приводит к другой проблеме в конфигурации схемы показанной на рисунке 1: выводы RG на любом заданном трехконтактном операционном усилителе ОУ очень чувствительны к емкостям. Емкости переключателя могут вызвать пики или нестабильность в работе цепи. Также, еще одна проблема заключается в том, что емкостный дисбаланс на выводах RG приводит к уменьшению коэффициента ослабления синфазного сигнала (CMRR), который является ключевой характеристикой инструментальных усилителей. График на рисунке 3 показывает, как CMRR ухудшается с различными мультиплексорами и усилителем AD8421. График ясно показывает, что при увеличении емкости в мультиплексоре, происходит значительное уменьшение параметра CMRR.
Чтобы улучшить показатели CMRR, одним из наиболее предпочтительных решений является создание гарантии того, что контакты RG будут подключены к одной и той же величине сопротивления.
Это может быть сделано путем балансировки резисторов и размещения переключателя между ними, как показано на рисунке 4. Мультиплексор в данном случае не может быть применен из-за присущего им емкостного дисбаланса на концах переключателей.
При создании подобных схем рекомендуется использовать четырехпозиционный SPST-переключатель, такой как ADG5412F. Помимо того, что данный переключатель предоставляет гибкость в использовании сбалансированных резисторов, емкости на входах также оказываются сбалансированными, что в свою очередь улучшает CMRR. На рисунке 5 показано сравнение CMRR, когда в качестве переключателя используется мультиплексор, подключенный к выводам AD8421, и когда используется четырехполюсный переключатель SPST.
ADG5412F имеет небольшое внутренне сопротивление, которое слабо зависит от напряжения на входе или выходе, как показано на рисунке 6. Максимальное значение внутреннего сопротивления для ADG5412F составляет всего 1.1 Ом, что при подключении к AD8421 с коэффициентом усиления 10 и резистором усиления 1,1 кОм, внесет всего 0,1% нелинейности. Тем не менее, существует также фактор дрейфа, который будет особенно выражен при высоких значениях коэффициента усиления.
Чтобы устранить эффект паразитного сопротивления коммутатора, можно использовать усилитель с другой архитектурой. AD8420 и AD8237 имеют архитектуру с косвенной обратной связью по току (ICF) и являются хорошим выбором для приложений, которые не требуют большой мощности и пропускной способности. При применении данных усилителей, переключатель следует размещать в цепи с высоким сопротивлением, вследствие чего изменение сопротивления не будет оказывать влияния на изменение сопротивления переключателя.
Для этих усилителей коэффициент усиления устанавливается при помощи соотношения внешних резисторов так же, как и для неинвертирующего усилителя. Это дает пользователю больше гибкости в настройке, так как резисторы для настройки усиления могут быть выбраны в зависимости от требований проекта. Стандартные тонкопленочные или металлопленочные резисторы могут иметь температурные коэффициенты вплоть до 15 ppm/°C. Это дает больший дрейф усиления, чем стандартные инструментальные усилители, которые устанавливают усиление с помощью одного внешнего резистора, где несоответствие между встроенным микросхемой и внешними резисторами обычно ограничивает дрейф усиления примерно до 50 ppm / ° C. Для уменьшения погрешности усиления и улучшения характеристик дрейфа можно использовать резисторные сборки для допуска и отслеживания температурных коэффициентов, но в таком случае возрастет стоимость устройства, поэтому в стандартных решениях предпочтительнее использовать дискретные резисторы.
Другим решением, которое позволить обеспечить больше гибкости в настройке системы, является схема усилителя, состоящая из трех операционных усилителей, мультиплексоров и дискретных компонентов. Схема состоит из двух ступеней и отображена на рисунке 8. Существует гораздо больший выбор операционных усилителей по сравнению с инструментальными усилителями, поэтому у разработчиков образуется больше вариантов компоновки схемы, что позволяет им проектировать устройство в соответствии с конкретными проектными требованиями. В схему на первой ступени также могут быть интегрированы специальные функции, такие как фильтры и т.д.
Выбор усилителей на входе напрямую зависит от требований DAQ. Например, конструкция с низким энергопотреблением потребует использования усилителей с низким током покоя, тогда как системы, которые подразумевают работу с датчиками с высоким импедансом, могут использовать усилители с очень низким током смещения, чтобы минимизировать ошибку усиления.
Следует отметить, что при использовании конфигурации, изображенной на рисунке 8, внутреннее сопротивление переключателя последовательно соединено с входом усилителя с высоким сопротивлением, и, следовательно, не влияет на коэффициент усиления. Оглядываясь назад, на компромисс между внутренним сопротивлением и емкостью переключателя, поскольку внутреннее сопротивление больше не оказывает влияния, для схемы можно выбрать мультиплексоры с низкой входной емкостью, такие как ADG1209. Таким образом можно избежать нестабильности и ухудшения CMRR переменного тока.
Как и в предыдущей схеме, резисторы будут определять точность усиления и смещение. Дискретные резисторы могут быть выбраны с правильным допуском и смещением, которые соответствуют проектным требования. Опять же, лучшая точность может быть достигнута с помощью резисторных сборок, которые также увеличат стоимость изделия.
Вторая ступень трехкомпонентных усилителей обеспечивает подавление синфазных напряжений. Для организации данной ступени рекомендуются дифференциальные усилители со встроенными резисторными сборками, чтобы обеспечить наилучшую CMRR. Для несимметричного выхода и приложений с относительно низкой пропускной способностью отлично подойдёт AD8276. В то же время, AD8476 можно использовать, если требуется дифференциальный выход и более высокая пропускная способность. Другой вариант для второй ступени – это использовать сборку LT5400 в качестве резисторов для настройки усиления. Хотя это может занять больше места на плате, это даст больше гибкости при выборе усилителя, предоставляя больше возможностей для проектирования в соответствии с конкретными требованиями проекта.
Следует отметить, что при расположении элементов на плате при разработке дискретных PGIA необходимо соблюдать осторожность. Любой дисбаланс в расположении элементов может привести к ухудшению CMRR.
В таблице ниже приведены краткие сведения о сильных и слабых сторонах каждого из приведенных выше подходов организации PGIA.
Таблица 4. Сравнение различных реализаций усилителя с программируемым усилением
ПРИМЕР ПРОЕКТИРОВАНИЯ ДИСКРЕТНОГО PGIA
Пример дискретного PGIA, созданного для конкретной спецификации, приведен на рисунке 9. В этом проекте PGIA должен работать в системе с низким энергопотреблением. В качестве буферов был выбран LTC2063 из-за его низкого тока потребления, не более 2 мкА. В качестве переключателя был выбран ADG659 также из-за его низкого тока потребления, макс. 1 мкА и низкой входной емкости.
Необходимо соблюдать осторожность при выборе пассивных компонентов в цепи - они также должны быть выбраны так, чтобы соответствовать требованиям по мощности. Неправильный выбор пассивных компонентов приведет к увеличению протекающего тока и, как следствие, потребляемой мощности, которая сведет на нет эффект от использования компонентов с низким энергопотреблением. В этом случае резисторы усиления должны быть достаточно большими, чтобы не потреблять слишком большой ток. Значения резисторов, которые были выбраны для обеспечения коэффициента усиления 1, 2, 5 и 10, показаны на рисунке 9
Для дифференциального усилителя второй ступени был выбран также LTC2063, который используется совместно с резисторной сборкой LT5400 с сопротивлением 1 МОм, состоящей из четырех согласованных резисторов. Применение сборки гарантирует, что усилителем потребляется минимальный ток, и что CMRR сохраняется благодаря точному согласованию резисторов.
Цепь работает от источника питания 5 В и была испытана при различных синфазных напряжениях, дифференциальных напряжениях и с различными коэффициентами усиления. В наилучшем состоянии схема потребляет всего 4,8 мкА.
Ток может увеличиться при изменении напряжения на дифференциальных входах из-за тока, который протекает через резисторы усиления, определяемый как | VOUT - VREF | / (2 МОм || 1 МОм). На рисунке 10 показан ток потребления с разными коэффициентами усиления.
Также ток потребления может увеличиться при подаче на входы различных синфазных напряжений. Приложенное напряжение вызовет ток через резисторы на второй ступени, что приведет к дополнительному потреблению тока. В данном случае дополнительный ток определяется как | VCM - VREF | / 1 MОм. Выбор резисторов 1 МОм для LT5400 был сделан специально, чтобы минимизировать подобный эффект. На рисунке 11 показано влияние синфазного напряжения на ток потребления при разных коэффициентах усиления:
Ток покоя измерялся когда все компоненты были отключены и составил всего 180 нА. Данный показатель не менялся вне зависимости от напряжения на входе, синфазного напряжения или коэффициента усиления. Все компоненты схемы имеют возможность отключения питания в случае необходимости экономии дополнительной энергии, и пользователь может самостоятельно включить / выключить питание у того или иного компонента. В портативных приложениях, работающих от батареи подобная схема была бы чрезвычайно полезна, и подобные характеристики вряд ли могли бы быть достигнуты при использовании интегрированного PGIA
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Инструментальные усилители с программируемым усилением (PGIA) являются важными компонентами в области сбора данных (DAQ), обеспечивая хорошую производительность и высокие показатели SNR даже при разной чувствительности подключаемых к системе датчиков. Использование интегрированных PGIA позволяет сократить время проектирования и улучшить общие характеристики схемы. Интегрированные PGIA, как правило, является наиболее предпочтительным, но не идеальным решением. В случае, если требования проекта невозможно удовлетворить при помощи интегрированных PGIA можно разработать собственную дискретную PGIA с необходимыми характеристиками. Следуя приведенным в данной статье рекомендациям по проектированию, оптимальный дизайн может быть достигнут даже при дискретном построении PGIA, а наличие нескольких реализаций позволяет определить наилучшее сочетание элементов и их параметров для конкретного приложения.