Усилватели с персонализирани програмируеми усилвания за съвпадение на ниво
Карлос Кастро-Мигуенс и Хосе Бенито Кастро-Мигуенс
Този пример за схема показва как да проектирате инвертиращи и неинвертиращи усилватели с потребителски програмируеми усилвания за оптимизиране на съотношението на изходния сигнал на сензора към обхвата на входното напрежение на ADC.
Повечето системи за вземане на проби с широк динамичен обхват изискват нивото на входния сигнал да бъде регулирано, за да съответства на обхвата на входното напрежение на ADC, така че максималният възможен входен сигнал да е възможно най-близо до пълното напрежение на ADC. (Типичните пълни обхвати на ADC са между 1V и 10V.) Освен това може да е необходимо да се регулира усилването на усилвателя на сензорния сигнал, което трябва да се извършва в реално време, например, за да се компенсира нелинейността в температурния диапазон. За да направите това, се използват или усилватели с програмируемо усилване (PGA), или усилватели с променливо усилване (VGA), обикновено поставени между сензора и ADC (Фигура 1).
 | |
| Снимка 1. | Необходим е програмируем усилвател в системата за вземане на проби от данни за да съответства на мащаба на изходния сигнал на сензора и диапазона на входните напрежения на ADC - условията за постигане на максимална разделителна способност и минимално ниво на шум. |
Обикновено тези усилватели ви позволяват да избирате фиксирани печалби, които обикновено са между 1 и 100. Някои приложения, като измерване на ток, изискват използването на специфичнифактори на усилване. В такива случаи необходимите печалби могат да варират от 1 до 1500 или повече и техните стойности не съвпадат със стойностите, които могат да бъдат получени с помощта на наличните в търговската мрежа PGA или VGA.
При избора на топология на веригата на усилвателя с много високо усилване трябва да се има предвид, че твърде големи съпротивления (повече от 1 MΩ) в много случаи не могат да бъдат използвани поради шума, който създават. Освен това, ако усилвателят трябва да има много точно усилване, токовете на резисторите трябва да са много по-високи от токовете на отклонение на операционните усилватели. Това е възможно само когато съпротивленията на резисторите не са много големи. От друга страна, винаги е необходимо (или желателно) входният импеданс на усилвателя да бъде достатъчно висок (не много нисък).
Две вериги, които отговарят на всички горепосочени условия за усилватели с осем цифрово програмируеми усилвания, са показани на Фигура 2. Въпреки че броят на стойностите на усилването, които могат да бъдат реализирани с тези схеми, е 2n, където n е броят на MOSFET, само n стойности могат да бъдат зададени независимо. Стойностите на усилването в тези схеми са лесно адаптивни към изискванията на почти всяко разглеждано приложение.
| а) |  |
| б) |  |
Фигура 2а показва схемата за инвертиращ усилвател, а Фигура 2b показва неинвертиращата версия. И в двете схеми печалбите се избират с помощта нацифрови сигнали D1, D2 и D3. Използваните MOSFET трябва да имат нива на логически контрол и възможно най-ниски импеданси на канала. Транзисторите 2N7002P с типично съпротивление на канала от 1 ом или IRLML2502 с типично съпротивление от 0,05 ома са доста подходящи.
По-долу са дадени изрази, които могат да се използват за изчисляване на независимите печалби за веригата на Фигура 2а:
В случай на използване на два или повече MOSFET, ако входното напрежение VI стане твърде високо, паразитните диоди на транзисторите ще започнат да провеждат ток, което ще изкриви изходното напрежение на усилвателя. За да предотвратите това да се случи, трябва да бъде изпълнено следното условие:
където VF е падането на напрежението в посока напред през паразитния MOSFET диод (VF> 0).
Когато се използва само един MOSFET, за да се предотврати включването на паразитния диод, входното напрежение трябва да отговаря на следната зависимост:
Независимите печалби, които могат да бъдат избрани във веригата на фигура 2b, са:
Когато използвате два или повече MOSFET във веригата на Фигура 2b, паразитните диоди ще започнат да провеждат ток и ще изкривят изходното напрежение на усилвателя, ако входното напрежение VI е твърде ниско отрицателно. За да предотвратите това, трябва да бъде изпълнено следното условие:
Когато се използва само един MOSFET, за да се предотврати включването на паразитния диод, входното напрежение трябва да отговаря на следната зависимост:
Фигура 3 показва пример за практическото приложение на микросхемата Фигура 2а. В този пример усилвател с контролирано усилване се използва за усилване на изходното напрежение на веригата VI, като интегрира и филтрира сигнала, генериран от колана.Роговски. Да приемем, че референтните напрежения на ADC, преобразуващ сигнала VO = k × I(t), са 2,5 V и –2,5 V, чувствителността на намотката на Rogowski е 30 µV/A, високочестотният интеграторен филтър при 50 Hz има усилване на напрежението от 1,2 (1,64 dB) и искаме да измерим AC токове в диапазоните от 1280, 320, 80 и 20 A rms.
 | |
| Фигура 3 | В практическа система за измерване на ток намотка на Роговски се използва като сензор. Изходният сигнал се усилва от верига, чието усилване може да бъде зададено от потребителя или системния контролер , за да се увеличи максимално използването на разделителната способност на ADC. |
Това ще изисква следните печалби: G0 = –38,363, G1 = –153,452, G2 = –613,808 и G3 = –2455,2. Тези печалби могат да бъдат постигнати с много различни комбинации от стойности на резистори във веригата на Фигура 2а. По-долу е даден прост и бърз метод за изчисляване на необходимите стойности на резистора.
Тук сме избрали най-малкото съпротивление Rα, при което съпротивлението на транзисторния канал не оказва значително влияние върху усилването.
Печалбите, получени с помощта на резистори с изчислени съпротивления, ще бъдат както следва (теоретичните стойности са показани в квадратни скоби):
В случай на използване на схемата на усилвателя, показана на фигура 2b, можете да определите съпротивленията на резисторите, необходими за получаване на печалбите G0 = 38.363, G1 = 153.452, G2 = 613.808 и G3 = 2455.2, както следва:
Печалбите, получени при използване на резистори с изчислени съпротивления, ще бъдаткакто следва (теоретичните стойности са показани в квадратни скоби):
Превод: AlexAAN по поръчка на RadioPilot