Инструментальный усилитель обеспечивает высокий CMRR при низком напряжении питания

Схемы, питающиеся от современных батарей с напряжением от 3 до 3.6 В, должны эффективно работать при низком напряжении. В этой статье предлагается конструкция инструментального усилителя со связью по переменному току, которая отличается высоким CMRR (коэффициентом подавления синфазного сигнала), широким диапазоном входных постоянных напряжений и передаточной характеристикой первого порядка в области высоких частот. Большинство из этих особенностей обеспечиваются конструкцией первого каскада с большим коэффициентом усиления. В схеме используются популярные компоненты с обычными допусками. Упрощенная схема усилителя показана на Рисунке 1а. Общий принцип заключается в том, что конденсатор C и резисторы R3 буферизуют и связывают входной сигнал по переменному току. Второй каскад состоит из двух дифференциальных усилителей AD. Каждый из них усиливает половину дифференциального входного сигнала. Суммирование дает для выходного напряжения VOUT следующее выражение:

VA, VB, VC и VD на Рисунке 1а – это напряжения на входах двух дифференциальных усилителей, а AD – коэффициент усиления. Постоянная времени 2R3C определяет верхнюю частоту среза усилителя. Подробная схема показана на Рисунке 1б. Входной каскад состоит из усилителей A1, A2, A3 и A4. Основными каскадами усиления являются A1 и A2. Поскольку потенциалы их инвертирующих и неинвертирующих входов одинаковы, входные напряжения питают резисторы R3. Буферы A3 и A4 вместе с резисторами R2 обеспечивают для тока резистора R3 коэффициент усиления 1 + R3/R2, поскольку резисторы R2 и R3 подключены к одинаковым потенциалам. Эта схема является основой конструкции. Напряжение на конденсаторе C не имеет переменной составляющей, а A1 и A2 усиливают половину входного дифференциального сигнала переменного тока. Конденсатор C блокирует постоянную составляющую входного сигнала, поступающего с выходов усилителей A3 и A4. Второй каскад представляет собой сумматор-вычитатель с единичным усилением. Он реализует приведенную выше формулу, где

Полагая, что R3 >> R2,

На упрощенной схеме показан развязывающий конденсатор C (а). В подробной схеме (б) используются усилительные каскады и каскад сумматора-вычитателя.
Рисунок 1. На упрощенной схеме показан развязывающий конденсатор C (а). В подробной
схеме (б) используются усилительные каскады и каскад сумматора-вычитателя.

В другой возможной реализации второго каскада можно использовать два АЦП с дифференциальными входами, формирующих оцифрованный выходной сигнал VOUT, готовый для обработки микрокомпьютером. При наличии в схеме двуполярного источника питания ±5 В можно получить VOUT с помощью микросхемы сдвоенного дифференциального усилителя, например, INA2134. Минимальное значение CMRR можно рассчитать следующим образом:

где

AD(1-4) – дифференциальный коэффициент усиления усилителей A1 – A4,
ACM(1-4) – синфазный коэффициент усиления усилителей A1 – A4,
AD5 – дифференциальный коэффициент усиления усилителя A5,
ACM5 – синфазный коэффициент усиления усилителя A5,
Δ – допустимое отклонение сопротивлений резисторов R4 в этой схеме.

Этот инструментальный усилитель с большим CMRR работает при очень низких напряжениях питания.
Рисунок 2. Этот инструментальный усилитель с большим CMRR работает при очень низких
напряжениях питания.

Очень важным параметром является входное напряжение смещения, особенно для усилителей A3 и A4. Смещения усилителей A1 и A2 не вносят вклад в ошибку, поскольку они добавляют к входному сигналу постоянную составляющую, которую подавляет конденсатор C. Максимальная погрешность выходного напряжения, связанная с напряжением смещения операционного усилителя, составляет:

где VIOMAX – максимальные напряжения смещения соответствующих операционных усилителей. При выборе операционных усилителей следует учитывать, что A3, A4 и A5 должны иметь малые смещения и высокие CMRR, а A1 и A2 должны иметь большие значения усиления без обратной связи, CMRR и произведения коэффициента усиления на полосу пропускания. Практическая схема усилителя изображена на Рисунке 2. Источником его питания служит одна 3-вольтовая литиевая батарейка. В схеме можно использовать несколько типов операционных усилителей, таких, например, как MCP607 или OPA2336. С учетом диапазона синфазных входных напряжений, сигнальная земля подключена к потенциалу, равному одной трети напряжения питания. Диод D1 защищает схему от защелкивания. Цепочка R7-C4 обеспечивает фильтрацию высокочастотных шумов на входах схемы. Значения номиналов компонентов схемы можно получить, исходя из следующих соображений. Если

то ноль передаточной функции в области высоких частот компенсируется:

Схема имеет следующие преимущества:

  • Общее усиление реализовано в первым каскаде, что обеспечивает высокий CMRR без использования высокоточных резисторов во втором каскаде.
  • Благодаря подключению фильтра нижних частот к инвертирующим входам пары операционных усилителей, усиливающих входной сигнал, схема не нуждается в дополнительных входных буферах.
  • В схеме, имеющей стандартную передаточную характеристику первого порядка в области высоких частот, используются популярные компоненты с обычными допусками.
  • Диапазон дифференциальных входных напряжений достигает 2 В при напряжении питания 3 В.
  • Ток и мощность, потребляемые схемой, очень малы: 120 мкА и 0.4 мВт.
  1. Datasheet Texas Instruments INA2134
  2. Datasheet Microchip MCP607
  3. Datasheet Texas Instruments OPA2336

Добавить свое объявление

* заполните обязательные данные

Статистика eFaster:

посетило сегодня 62
сейчас смотрят 4
представлено поставщиков 1569
загружено
позиций
25 067 862