Журнал РАДИОЛОЦМАН, апрель 2020
Инструментальные усилители используются в различных приложениях, когда слабый дифференциальный сигнал необходимо извлекать из больших синфазных шумов или помех. Однако разработчики часто упускают из виду потенциальную проблему, связанную с тем, что радиочастотные шумы могут выпрямляться внутренними диодами, образованными p-n переходами на кремниевой подложке кристалла инструментального усилителя. Обычно инструментальные усилители значительно ослабляют входные синфазные сигналы. К сожалению, фактор выпрямления радиочастотных сигналов сохраняется, поскольку даже самые хорошие инструментальные усилители практически не способны подавлять синфазные сигналы на частотах выше 20 кГц. Входной каскад усилителя может выпрямлять сильные радиочастотные сигналы, что будет проявляться как ошибка смещения по постоянному напряжению. Если входной каскад выпрямит сигнал, никакая фильтрация нижних частот на выходе инструментального усилителя не сможет устранить ошибку. Наконец, если радиочастотные помехи непостоянны, ошибки измерения могут остаться незамеченными. Наилучшее практическое решение этой проблемы заключается в том, чтобы обеспечить подавление помехи перед инструментальным усилителем с помощью дифференциального фильтра нижних частот. Фильтр должен удалять из входных линий как можно больше радиочастотной энергии, сохранять «баланс» сигнала переменного тока между каждой линией и землей (общей шиной) и обеспечивать достаточно высокий входной импеданс во всей полосе измерений, чтобы не допустить нагрузки на источник сигнала. На Рисунке 1 представлен стандартный блок для широкого спектра дифференциальных фильтров радиопомех.
 | ||
| Рисунок 1. | Эта схема фильтра нижних частот предотвращает ошибки радиочастотного выпрямления в инструментальных усилителях. | |
Номиналы компонентов типичны для инструментальных усилителей последних поколений, таких как AD8221, полоса пропускания которого по уровню –3 дБ составляет 1 МГц, а типовое напряжение шумов равно 7 нВ/√Гц. Помимо подавления радиопомех, фильтр также обеспечивает дополнительную защиту входов от перегрузки; резисторы R1A и R1B помогают изолировать входную цепь инструментального усилителя от внешнего источника сигнала. Упрощенный вариант фильтра радиопомех показан на Рисунке 2. Видно, что фильтр образует мостовую схему, выход которой подключен к входным выводам инструментального усилителя. Из-за такого включения любое несоответствие между постоянными времени C1A/R1A и C1B/R1B разбалансирует мост и ухудшает высокочастотное подавление синфазных сигналов. Поэтому сопротивления резисторов R1A и R1B, а также емкости конденсаторов C1A и C1B всегда должны быть равны. C2 подключен между «выходами моста», так что, фактически, C2 параллелен последовательной комбинации конденсаторов C1A и C1B. Включенный таким образом конденсатор C2 эффективно компенсирует ухудшение подавления синфазных сигналов. Например, если емкость конденсатора C2 в 10 раз больше емкости C1, ошибки коэффициента подавления синфазных сигналов, связанные с дисбалансом C1A/C1B, уменьшатся в 20 раз. Обратите внимание, что на постоянную составляющую синфазного сигнала фильтр не влияет.
 | ||
| Рисунок 2. | Конденсатор C2 шунтирует цепь C1A/C1B и частично компенсирует ухудшение подавления высокочастотных сигналов, обусловленное рассогласованием номиналов компонентов. | |
Фильтр радиопомех имеет дифференциальную и синфазную полосы пропускания. Дифференциальная полоса пропускания определяет частотную характеристику фильтра с дифференциальным входным сигналом, приложенным между двумя входами схемы +IN и –IN. Параметры эквивалентной постоянной времени задаются суммой сопротивлений двух одинаковых входных резисторов R1A и R1B и дифференциальной емкости, образованной параллельным соединением C2 и последовательной комбинации C1A и C1B. Дифференциальная полоса пропускания этого фильтра по уровню –3 дБ равна
Синфазная полоса пропускания определяет, что «видит» синфазный радиочастотный сигнал между двумя входами, соединенными друг с другом и с землей. На полосу пропускания синфазного радиочастотного сигнала C2 не влияет, так как этот конденсатор включен между двумя входами, помогая поддерживать на них один уровень радиочастотного сигнала. Поэтому синфазная полоса пропускания является функцией параллельного импеданса двух RC-цепочек (R1A/C1A и R1B/C1B) относительно земли. Синфазная полоса пропускания по уровню –3 дБ равна
При использовании в схеме на Рисунке 1 конденсатора C2 емкостью 0.01 мкФ полоса пропускания дифференциального сигнала по уровню –3 дБ составляет примерно 1900 Гц. При работе с коэффициентом усиления, равным 5, измеренная приведенная ко входу ошибка постоянной составляющей в диапазоне частот от 10 Гц до 20 МГц была меньше 6 мкВ. При единичном усилении смещение постоянной составляющей было настолько мало, что не могло быть измерено. Некоторые инструментальные усилители более склонны к радиочастотному выпрямлению, чем другие, и могут нуждаться в более надежном фильтре. Хорошим примером является микромощный инструментальный усилитель AD627, имеющий низкий рабочий ток входного каскада. Простое увеличение сопротивлений двух входных резисторов, R1A/R1B, емкости конденсатора C2 или того и другого может обеспечить дополнительное ослабление радиочастотной помехи за счет уменьшения ширины полосы сигнала. Ниже перечислены некоторые этапы выбора номиналов компонентов фильтра радиопомех:
Определите сопротивление двух последовательных резисторов и убедитесь, что предшествующая схема может адекватно работать на эти сопротивления. При типичных значениях от 2 до 10 кОм эти резисторы не должны вносить больше шума, чем вносит сам инструментальный усилитель. Использование пары резисторов по 2 кОм увеличивает тепловой шум (шум Джонсона) на 8 нВ/√Гц. Это значение возрастает до 11 нВ/√Гц при сопротивлениях резисторов 4 кОм и до 18 нВ/√Гц при сопротивлениях 10 кОм.
Выберите подходящее значение емкости конденсатора C2, от которого зависит дифференциальная (сигнальная) полоса пропускания фильтра. Емкость C2 должна быть как можно меньше и не ослаблять входной сигнал. Обычно считается нормальным, если дифференциальная полоса пропускания в 10 раз шире наибольшей частоты сигнала.
Выберите емкости конденсаторов, которые определяют синфазную полосу пропускания. Для хорошего подавления высокочастотных синфазных сигналов емкости этих конденсаторов должны составлять 10% или меньше от емкости C2. Ширина синфазной полосы пропускания всегда должна составлять менее 10% от полосы инструментального усилителя при единичном усилении.
Изготавливать фильтр радиопомех следует на печатной плате со слоями земли с обеих сторон. Выводы всех компонентов должны быть как можно короче. R1 и R2 могут быть обычными металлопленочными резисторами с допустимым отклонением сопротивления 1%. Однако все три конденсатора должны иметь достаточно высокую добротность и низкие потери. Чтобы не ухудшать подавление схемой синфазных сигналов, конденсаторы C1A и C1B должны иметь допуски 5%. Хорошим выбором будут традиционные 5-процентные слюдяные конденсаторы с серебряными обкладками или новые 2-процентные пленочные конденсаторы Panasonic серии PPS.