Литература
1. Thomas Frederiksen, Intuitive IC Op Amps (National Semiconductor Technology Series, 1984).
2. Horowitz, Paul, & Hill, Winfield, The Art of Electronics (Cambridge University Press, 1989).
3. Graeme, Jerald, Optimizing Op Amp Performance (McGraw-Hill, 1997).
4. Huijsing, Johan, Operational Amplifiers-Theory and Design (Kluwer Academic Publishers, 2001).
5. Nolan, Eric, Moghimi, Reza, «Demystifying Auto-Zero Amplifiers,» Analog Dialogue (Analog Devices, Inc., May 2000).
6. Kugelstadt, Thomas, «Auto-zero amplifiers ease the design of high-precision circuits,» TI Analog Applications Journal (2005).
Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail
•••
Измерение тока на стороне высокого напряжения
При измерении тока со стороны высокого напряжения в разрыв цепи между источником питания и активной нагрузкой устанавливается токовый шунтовый резистор (рис. 3) с использованием токового усилителя Texas Instruments INA240 в качестве аналогового интерфейса (AFE). Синфазное входное напряжение этой микросхемы может значительно превышать напряжение питания, что делает ее хорошим выбором для измерений тока на стороне высокого напряжения.
Рис. 3. В схеме измерения тока со стороны высокого напряжения токоизмерительный резистор устанавливается между источником питания и активной нагрузкой
Измерения тока со стороны высокого напряжения имеют два ключевых преимущества по сравнению с измерением со стороны низкого. Во-первых, легко обнаружить короткое замыкание на корпус, возникающее внутри нагрузки, потому что результирующий ток короткого замыкания будет протекать через токовый шунтовый резистор, создавая на нем повышенное напряжение. Во-вторых, этот метод измерения не связан с точкой заземления, поэтому дифференциальные напряжения на шине заземления, создаваемые большими протекающими токами, не влияют на измерение. Тем не менее, по-прежнему рекомендуется размещать соединение опорного заземления АЦП ближе к заземлению усилителя.
Метод измерения тока на стороне высокого напряжения имеет один главный недостаток. Как отмечалось выше, необходимо, чтобы токовый усилитель имел высокое подавление синфазного сигнала, поскольку небольшое напряжение, развиваемое на токовом шунте, лишь чуть ниже напряжения питания нагрузки. В зависимости от конструкции системы синфазное напряжение может быть довольно большим. Токовый усилитель тока INA240 на рисунке 3 имеет широкий диапазон колебаний синфазного напряжения от -4 до 80 вольт.
17.3. Усилители низкой частоты на интегральных микросхемах.
Для построения усилителей низкой частоты используются ИМС с буквами УН. Рассмотрим внутренную принципиальную схему ИМС К118УН1, рис.17.1.
Рис. 17.1. Принципиальная схема ИМС К118УН1
Каждый из двух каскадов усилителя выполнен по схеме с общим эмиттером, причем коэффициент усиления можно изменять путем подключения внешней нагрузки между выводом 10 и 9 или 7; через резисторы R3
и
R5
, соединяющие эмиттер
V2
и базу
V1
, осуществляется межкаскадная отрицательная обратная связь внутри микросхемы. Вывод микросхемы 7 предназначен для подачи напряжения питания, а вывод 14 — для подключения общего провода. Вывод 11 позволяет подключать внешний конденсатор развязывающего фильтра. Используя выводы 2,5 и 12, путем подключения внешних элементов можно применять различные виды обратной связи.
Сама по себе данная ИМС не выполняет ни одну из функций обработки сигнала, но схема ее составлена так, что при определенном способе внешних соединений (схеме включений) она обеспечивает многофункциональное использование и разработку усилителей самыми разнообразными техническими условиями. Так, например, на основе ИМС К118УН1 можно собрать:
Вариант 1. Двухкаскадный усилитель низкой частоты (рис.17.2), в котором оба каскада выполнены по схеме с общим эмиттером, причем коэффициент усиления второго каскада можно изменять путем подключения внешнего резистора R2 между выводами 10 и 9.
Во входную (вывод 3) и выходную (вывод 10) цепи включены разделительные емкости C1
и
С4
, номиналами которых определяется
fн
.
С2
совместно с внутренним резистором
R4
составляют развязывающий фильтр. Включение емкости
С3
между выводом 12 и 14 (корпус) позволяет исключить последовательную ООС по току во втором каскаде.
Рис. 17.2.Схема включения ИМС К118УН1(вариант 1)
Подключение внешнего резистора R1
между выводами 10 и 2 позволяет охватить оба каскада последовательной ООС по напряжению. Коэффициент усиления усилителя, собранного по схеме рис.17.2, практически зависит от величины
R1
. Чем больше
R1
, тем меньше коэффициент предачи цепи ООС, следовательно, коэффициент усиления больше. Для ограничения полосы пропускания со стороны верхних частот следует параллельно
R1
подключить емкость
C5
. В этом случае осуществляется частотно-зависимая ООС. С увеличением частоты емкостное сопротивление уменьшается, следовательно, увеличивается глубина ООС, что приводит к уменьшению коэффициента усиления. Номинал емкости
С5
расчитывают исходя из заданной верней граничной частоты.
Вариант 2. Двухкаскадный усилитель (рис.17.3), в котором первый каскад выполнен с ОЭ
а второй — с
ОК
.
Рис. 17.3. Схема включения ИМС К118УН1 (вариант 2)
Для этого выводы 7, 9 и 10 закорачиваются через С3
на корпус. Выходное напряжение
Uвых
снимается с эмиттера
V2.
Подключение
С2
устраняет последовательную ООС по току в первом каскаде. В усилителе, собранном по схеме рис.17.3, имеет место параллельная ООС по напряжению (через
R3
,
R5
). Эта же цепь служит одновременно для смещения
V1
фиксированным током базы.
Вариант 3. Двухкаскадный усилитель (рис.17.4), в котором оба каскада охвачены последовательной ООС по напряжению (R2 и C5 между выводами 2 и 10) и параллельной ООС по напряжению (С3, С4 между выводами 10 и 5). Применение различных видов обратной связи позволяет улучшить показатели усилителя. Так, УНЧ, собранный по схеме рис. 7.4, имеет: fн
= 30Гц,
fв
=20 кГц,
Ко
= 100,
Rвх
= 50кОм.
Рис. 17.4. Схема включения ИМС К118УН1 (вариант 3)
Радиоинженер, разобравшись в принципиальной схеме ИМС, на ее основе может разработать и собрать десятки устройств с самыми разнообразными техническими устройствами. Но для этого надо хорошо знать структуру и принципиальную схему ИМС.
Усиливать или не усиливать?
Чаще всего разработчики систем стремятся сократить количество аналоговых сигнальных линий в надежде уменьшить влияние внешних шумов. (Цифровые сигналы в общем случае более устойчивы к влиянию помех). В прошлом длинные аналоговые линии приводили к необходимости последующей обработки сигнала в несколько стадий. Одна стадия, например, включала в себя усиление разностной составляющей сигнала без подавления синфазных помех, другая, наоборот, обеспечивала подавление помех без усиления. Применение двуполярных и высоковольтных источников питания в аналоговых схемах помогало улучшить соотношение «сигнал-шум». Требования к сокращению длины аналоговых линий и использования низковольтового питания для аналоговых схем подстегнуло эволюцию архитектур усилителей для решения этих проблем.
На начальном этапе проектирования часто возникает вопрос: могут ли аналоговый датчик и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) работать напрямую — т.е. без предварительной обработки или усиления сигнала. Такое решение в некоторых случаях позволяет сэкономить не только место на печатной плате, но и потребляемую энергию. К примеру, высокоомные резистивные мостовые схемы вполне могут использовать для своего питания встроенные в АЦП источники опорного напряжения, исключая необходимость подключения внешнего источника.
С другой стороны, применение инструментального усилителя перед подачей сигнала на АЦП может дать следующие преимущества:
- Усиление сигнала непосредственно близ его источника улучшает общее отношение «сигнал-шум» в большинстве приложений, особенно если датчик находится от АЦП на некотором расстоянии;
- Входное сопротивление многих высокопроизводительных АЦП относительно невелико, что требует применения на входе АЦП усилителя с низким выходным сопротивлением для уменьшения потерь и искажений сигнала (вотсутствии усилителя резкие перепады сигнального тока или несогласование сопротивлений может внести существенные искажения в общую картину);
- Внешний усилитель позволяет оптимизировать сигнал, например, при помощи фильтрации;
- Применение инструментального усилителя для интерфейса между датчиком и АЦП может уменьшить общую стоимость системы (для неусиленного сигнала может потребоваться более дорогое АЦП с большим разрешением, особенно если необходимо сохранение высокого быстродействия).
18.2. Принципиальные схемы операционных усилителей
Рассмотрим принципиальную схему операционного усилителя К14ОУД1А, рис.18.1.
Рис.18.1. Принципиальная схема операционного усилителя К140УД1
Входной каскад выполнен на транзисторах V1
и
V2
, в общую эмиттерную цепь включен стабилизатор тока на транзисторе
V3
с термокомпенсирующим транзистором
V6
в диодном включении.
Выходной сигнал первого дифференциального каскада ОУ снимается симметрично с резистора R1
и
R2
и подается на второй дифференциальный каскад на транзисторах
V4
и
V5
. В этом каскаде в цепи эмиттера используется резистор
R7
, который служит для создания отрицательной обратной связи.
Поскольку выход второго дифференциального каскада несимметричен, в цепи коллектора V4
отсутствует нагрузочное сопротивление. Выходное напряжение снимается с резистора
R6
относительно общей точки (вывод 4), между этими точками кроме усиленного сигнала имеет место постоянное напряжение
Uк0V5
. Для согласования потенциальных уровней выхода второго каскада и входа усилителя мощности применяется схема сдвига уровня постоянного напряжения. Эта схема содержит буферный эмиттерный повторитель на транзисторе
V8
, резистор
R9
и стабилизатор тока, состоящий из
V9
,
R10
.
Выходной каскад построен по схеме эмиттерного повторителя на транзисторе V10
с нагрузочными резисторами
R11
,
R12
. Особенностью этого каскада является использование положительной обратной связи, к элементам которой относятся
R10
и
V9
. ПОС позволяет получить коэффициент усиления больше единицы (порядка 2,5–5). Диод
V7
, работающий при обратносмещенном переходе, эквивалентен конденсатору небольшой емкости, обеспечивающему устойчивость усилителя при охвате глубокой обратной связью.
Операционный усилитель имеет два входа: вывод 9 — инвертирующий вход, а вывод 10 — неинвертирующий. Инвертирующий вход можно использовать для подачи с выхода (вывод 5) с помощью внешних элементов напряжения обратной связи. Выводы 1 и 7 предназначены для подачи питающих напряжений, выводы 2, 3 и 12- для введения внешней коррекции, вывод 4 — общая точка.
