Усилвател на сензорната апаратура Нулево отклонение Без изкривяване

Прашант Холенарсипур (Максим)

Първичните измервателни сензори обикновено се използват за преобразуване на промените в някакво физическо количество в промяна в електронните параметри на сензора, като съпротивление или капацитет, които след това се четат с помощта на мостови вериги. На изхода на мостовата верига получаваме сигнал (напрежение или ток), а измерването на съотношения (рационометрично) позволява на измервателната система да компенсира промените в температурата и захранващото напрежение. Примерите за първични сензори включват:

  • Термистори за измерване на температура;
  • Резистивни/капацитивни тензодатчици за измерване на налягане;
  • Магниторезистивни сензори за определяне на посока или позиция.

Има и редица сензорни приложения, при които директното измерване на напрежение или ток е важно. Примери за това са термодвойки, медицински ЕКГ сензори, напрежение през измервателния резистор във вериги за наблюдение на мощността.

Обхватът на различни сензори днес е доста голям, включително домакинско оборудване (термометри, монитори за кръвно налягане, GPS системи) и автомобилно оборудване (сензори за гориво, сензори за удар, сензори за спирачки, сензори за положение на прозорците), промишлени и медицински устройства (сензори за положение на клапани, системи за контрол на температурата, ЕКГ). Сензорите работят в условия на електромагнитни смущения, смущения в мрежата, смущения на сигнала при захранване и земни контури, електростатични разряди. По правило полезният сигнал има относително ниско ниво. По този начин взаимодействието с аналогови сензори не е тривиално нещо и освен това е необходимо да се спазват добре дефинирани спецификации,специфични за тази област на приложение. За да бъде търговски успешна, обработката на сензорния сигнал трябва да бъде с ниска цена, малка и, в случай на устройства със самостоятелно захранване, ниска консумация на енергия.

Да се ​​засили или да не се засили?

Най-често дизайнерите на системи се стремят да намалят броя на аналоговите сигнални линии с надеждата да намалят влиянието на външния шум. (Цифровите сигнали обикновено са по-устойчиви на смущения). В миналото дългите аналогови линии налагаха последваща обработка на сигнала на няколко етапа. Единият етап, например, включваше усилване на диференциалния компонент на сигнала без потискане на шума в общ режим, а другият, напротив, осигуряваше потискане на шума без усилване. Използването на биполярни и високоволтови захранвания в аналогови схеми спомогна за подобряване на съотношението сигнал/шум. Изискването за намаляване на дължината на аналоговите линии и използването на захранване с ниско напрежение за аналогови вериги стимулира еволюцията на архитектурите на усилвателите за справяне с тези проблеми.

В началния етап на проектиране често възниква въпросът: може ли аналогов сензор и аналогово-цифров преобразувател (ADC) да работят директно - т.е. без предварителна обработка или усилване на сигнала. Подобно решение в някои случаи спестява не само пространството на печатната платка, но и консумираната енергия. Например, резистивните мостови вериги с високо съпротивление могат лесно да използват референтните напрежения, вградени в ADC за тяхното захранване, елиминирайки необходимостта от свързване на външен източник.

От друга страна, използването на инструментален усилвател преди подаването на сигнала към ADC може да осигури следните предимства:

  • Усилването на сигнала близо до неговия източник подобрява цялостнотосъотношение сигнал/шум в повечето приложения, особено ако сензорът е разположен на известно разстояние от ADC;
  • Входният импеданс на много високопроизводителни ADC е сравнително нисък, което изисква използването на усилвател с нисък изходен импеданс на входа на ADC, за да се намалят загубите и изкривяването на сигнала (при липса на усилвател внезапните промени в тока на сигнала или несъответствието на съпротивлението могат да внесат значителни изкривявания в цялостната картина);
  • Външен усилвател ви позволява да оптимизирате сигнала, например чрез филтриране;
  • Използването на инструментален усилвател за интерфейс между сензора и ADC може да намали общата цена на системата (неусилен сигнал може да изисква по-скъп ADC с по-висока разделителна способност, особено ако трябва да се поддържа висока производителност).

Проблем с нулево отместване на напрежението на входа

Училищните учебници са силни в описанието на идеалния свят. Всички неизвестни в уравнението могат да бъдат намерени, всеки въпрос има отговор. В реалния свят, за да накарате аналогова схема да работи, трябва да прекарате повече от един час в лабораторията, докато простото и бързо решение на проблема може да бъде на съвсем различна равнина ...

Сред многото постоянни грешки, които възникват при използване на DUT за усилване на сигнал, ефектът от входното отклонение (Ucm) е най-критичният. Всъщност всяка постоянна грешка може да бъде моделирана по отношение на Ucm:

  • Kss (коефициент на отхвърляне на общ режим - DC CMRR) може да бъде представен като промяна в напрежението на отклонение, когато се приложи сигнал на общ режим;
  • Kip (съотношение на потискане на промяната на захранващото напрежение - DC PSRR) - може да бъде представено като промяна в напрежението на отклонение с промяна в захранващото напрежение.

Дори ако Ucm е калибриран по време на производството на усилвателя, неговото отклонение (температура и време) може да бъде по-голям проблем, отколкото самото първоначално ниво. Това отклонение се компенсира най-добре от някои активни вериги, интегрирани в чипа.

Един от най-важните източници на динамична грешка във веригите (освен външните фактори) е шумът, който зависи от дизайна на веригата на производителя и характеристиките на процеса. Тъй като сигналът на сензора се усилва главно от блока с високо усилване, количеството на входния шум се увеличава съответно. По принцип шумът се предлага в две форми: "розов" шум (иначе наричан 1/f шум) и "бял" шум.

Розовият шум е най-критичен при ниските честоти (