Многим приложениям с однополярным питанием необходимы прецизионные усилители, способные работать от напряжения 5 В или ниже. Хотя в настоящее время доступно множество прецизионных операционных усилителей с однополярным питанием, два или три из которых могут быть включены в конфигурации инструментального усилителя (ИУ), для достижения высоких уровней точности и достоверности такие конструкции требуют большого внимания к деталям. Более того, на рынке достаточно и микросхем ИУ с однополярным питанием, однако их хорошие характеристики по постоянному и переменному току достигаются за счет ухудшения возможности использования при низких напряжениях и увеличения потребляемого тока. Наилучшие характеристики по-прежнему обеспечивают инструментальные усилители с двуполярным питанием.

Задача достижения высокой точности в приложениях с однополярным питанием является актуальной, поскольку в большинстве случаев выходные сигналы датчиков привязаны к средней точке источника питания или опорного напряжения схемы. Примерами могут служить тензодатчики, датчики силы и барометрические датчики. В этих приложениях не требуется, чтобы схема обработки сигнала работала вблизи шин положительного напряжения питания или земли датчика или схемы. Даже несмотря на то, что схема формирования сигнала не обязательно должна работать у самых границ диапазона входных напряжений, для достижения максимального динамического диапазона размах выходного напряжения схемы должен быть как можно бóльшим. Схема на Рисунке 1 обеспечивает высокую точность при работе от источника питания 5 В.

Рисунок 1.	Микросхема источника опорного напряжения 2.5 В обеспечивает стабильную среднюю точку для инструментального усилителя с однополярным питанием.

Суть здесь заключается в том, чтобы привязать входы ИУ с двуполярным питанием к стабильной средней точке питания, а после него включить прецизионный операционный усилитель с однополярным питанием и rail-to-rail выходом. Во входном каскаде этого «составного» ИУ используется прецизионный ИУ LT1167 (IC₁), а выходной каскад основан на сдвоенном быстродействующем операционном усилителе (ОУ) с rail-to-rail входами и выходом LT1498 (IC₂). Микросхема LT1634 (IC₃) – прецизионный шунтовой источник опорного напряжения 2.5 В, обеспечивает стабильную среднюю точку для 5-вольтового источника питания. Выход IC₃ подключен к входу повторителя напряжения на микросхеме IC_2A. Выход ОУ IC_2A служит низкоимпедансным источником для вывода 5 опорного напряжения микросхемы IC₁, который имеет входное сопротивление 20 кОм и входной ток до 50 мкА. Источник с низким выходным импедансом необходим для обеспечения высокого коэффициента подавления синфазного сигнала ИУ IC₁. Кроме того, выходной каскад IC_2A может отдавать для дополнительных внешних цепей токи нагрузки до 20 мА, не влияя на точность IC₃.

IC_2B – это инвертор с коэффициентом усиления, равным 3, размах выходного сигнала которого составляет ±2.5 В (rail-to-rail) при размахе выходного сигнала IC₁ всего ±0.82 В. Основная причина выбора инвертирующей конфигурации для выходного каскада – сделать возможными регулировки смещения системы по постоянному току. Цепи подстройки можно подключать к инвертирующему входу микросхемы IC_2B, не влияя на статическое или динамическое поведение схемы. Однако диапазон подстройки должен быть сделан таким, чтобы он не приводил к сужению выходного динамического диапазона схемы.

Высокая линейность усилителя IC₁ при напряжении питания 5 В обусловлена тем, что входная часть схемы сконфигурирована для работы от двух источников питания, а размах его выходного напряжения очень мал. Поскольку IC₃ сдвигает уровень всей схемы выше земли, конечное выходное напряжение схемы измеряется относительно уровня 2.5 В, а не 0 В. Выражение для коэффициента усиления G составного ИУ объединяет формулы для усиления микросхемы IC₁ и инвертора с коэффициентом усиления 3:

Как видно из Рисунка 1, при выборе R_G =1.5 кОм коэффициент усиления составной конфигурации равен 100. Значения коэффициентов усиления, которые можно получить при использовании резистора R_G с другими сопротивлениями, показаны в Таблице 1. Хотя в том, чтобы входные сигналы схемы имели полный размах от положительной шины питания до шины земли, необходимости нет, возможность работы в синфазном режиме с широким диапазоном входных сигналов всегда полезна.

Таблица 1.	Сводка статических и динамических характеристик
Усиление схемы RG Напряжение смещения*) (мкВ) Полоса пропускания (кГц) Шумы в полосе 0.1-10 Гц*) (мкВ пик-пик) 10 20.5 кОм 1300 900 2 30 5.36 кОм 450 850 0.7 100 1.5 кОм 160 500 0.4 300 487 Ом 100 160 0.3 1000 147 Ом 90 40 0.3
*) Приведенные ко входу

В этой конфигурации входной каскад IC₁ может без потери точности принимать сигналы до 3.7 В (синфазная плюс дифференциальная составляющие). Фактически, при низких коэффициентах усиления диапазон синфазных входных напряжений схемы составляет от 2.25 до 3.45 В. Такой широкий диапазон синфазных напряжений обеспечивает достаточный запас по допустимому дифференциальному входному напряжению, чтобы обеспечивать выходной размах ±2.5 В относительно опорной точки V_REF. Еще один совет, касающийся применения этой схемы: Хотя входные токи смещения IC₁ меньше 1 нА, выводы дифференциальных входов схемы должны иметь для постоянного тока обратный путь к источнику питания.

В Таблице 1 приведены статические и динамические характеристики составного ИУ. При всех значениях усиления нелинейность остается ниже 0.006%. Благодаря широкополосному rail-to-rail выходному каскаду зависимость переходной характеристики схемы от коэффициента усиления и нагрузки имеет хороший вид. Обратите внимание, что приведенные в Таблице 1 результаты измерений переходных параметров и полосы пропускания для слабых и больших сигналов получены при отсутствии конденсатора C₁. 10-мегагерцовое произведение усиления на полосу пропускания схемы и скорость нарастания 6 В/мкс гарантируют, что малосигнальные характеристики будут в первую очередь зависеть от параметров IC₁. Конденсатор C₁ полезен в низкочастотных приложениях (при полосе пропускания сигнала менее 20 Гц) для исключения или значительного ослабления наведенных шумов. Шумы также могут проникать в схему через входные контакты IC₁, особенно если датчик расположен на некотором расстоянии от схемы формирования сигнала. Шумы этого типа могут приводить к ошибкам из-за сдвига входного напряжения смещения усилителя IC₁. Этот эффект обычно называют радиочастотным выпрямлением. Его можно легко уменьшить, добавив дифференциальный фильтр к входным контактам IC₁.

1. Datasheet Analog Devices LT1167
2. Datasheet Analog Devices LT1498
3. Datasheet Analog Devices LT1634