Как работает усилитель класса «АВ», или Практичность правит миром


INA333 – инструментальный усилитель с нулевым дрейфом

22 января 2009

Инструментальный усилитель (ИУ) предназначен для задач, требующих прецизионного усиления с высокой точностью передачи сигнала, а также для работы с различными датчиками благодаря высокому входному сопротивлению, низкому значению напряжения смещения в широком диапазоне температуры работы, точности передачи сигнала и высокой степени подавления синфазных помех. ИУ относится к классу операционных усилителей с одним принципиальным отличием, связанным с работой исключительно с замкнутыми линейными цепями обратных связей (ОС).

Появление схем инструментальных усилителей было обусловлено стремлением устранить недостатки дифференциальных усилителей (ДУ), построенных на основе классических ОУ. Главный недостаток ДУ — зависимость коэффициента усиления от сопротивления источника сигнала. Благодаря наличию двух дополнительных ОУ перед ДУ удалось достигнуть очень высокого входного сопротивления инструментального усилителя (рис. 1).

Структурная схема классического инструментального усилителя

Рис. 1. Структурная схема классического инструментального усилителя

Более того, такая схема построения позволяет управлять коэффициентом усиления с помощью одного единственного резистора RKu, при этом отсутствует его влияние на входное сопротивление ИУ.

Изначально серия инструментальных усилителей INA была разработана и производилась компанией Burr-Brown, но впоследствии была полностью выкуплена компанией Texas Instruments. На данный момент TI не только продолжает производить ИУ, но и занимается активной разработкой новых изделий, добиваясь улучшения их характеристик и параметров (табл. 1).

Таблица 1. Краткие параметры и характеристики серии инструментальных усилителей Texas Instruments

Наиме- нованиеКоэфф. уси- ленияКоэфф. подав- ления син- фазных помех, дБДрейф вход- ного напря- жения сме- щения, мкВ/°CКоэфф. нелиней- ности в рабочей полосе частот, %Макси- маль- ный ток утечки по входуЧастот- ный диапа- зон (при G = 100), кГцУро- вень спект- раль- ного шума по входу, нВ/√ГцМини- маль- ное напря- жение пита- ния, ВМакси- маль- ное напря- жение пита- ния, ВСоб- ствен- ный ток потреб- ления, мА
INA1011…10001060,00225±5±206,7
INA1101, 10, 100, 100010620,0150 пА47010±6±183,0
INA1111…100010650,00520 пА45010±6±183,3
INA1141…100001100,250,0022 нА1011±2,25±182,2
INA1151…100001100,250,0022 нА1011±2,25±182,2
INA1161…10008650,0050,025 пА7028±4,5±181,0
INA1211…100009650,00550 пА5020±2,25±180,450
INA1265…100008330,00225 нА935±1,35±180,175
INA1281…100001200,50,0125 нА2008±2,25±18700
INA1291…100001200,50,0025 нА2008±2,25±18700
INA1311001100,250,0022 нА7012±2,25±182,2
INA14110, 1001170,50,0025 нА2008±2,25±180,750
INA1031…10001000,0048 мкА1±9±259,0
INA1631…100001000,000612 мкА1±4±1810
INA1181…100001070,50,0025 нА7010±1,35±180,350
INA1225…100008330,00225 нА560±1,1±180,060
INA1251…1000010020,01225 нА4,538±1,35±180,460
INA15510, 5078150,0550 пА110382,75,51,7
INA21265…100008330,01225 нА935±1,35±180,175
INA23315…10009050,110 пА2000462,55,50,415
INA23325…1000600,410 пА500462,55,50,415
INA3215…10009070,0110 пА501002,55,50,040
INA3225…10006070,0110 пА501002,55,50,040
INA3260,1…100001000,40,012 нА1332,75,52,4
INA3270,1…100001000,40,012 нА1332,75,52,4
INA3315…10009050,110 пА2000462,55,50,415
INA3325…10006050,410 пА500462,55,50,415
INA3331…10001000,10,0010,2 нА3,5501,85,50,050
INA3370,1…10001060,40,012 нА1332,75,52,4
INA3380,1…10001060,40,012 нА1332,75,52,4

Теперь можно вернуться непосредственно к теме статьи — обзору нового инструментального усилителя INA333. Согласно рекламным анонсам самого производителя, новый ИУ обладает впечатляющим соотношением сигнал-шум, очень низким дрейфом напряжением по входу, способностью работать от источников с низким напряжением (от 1,8 В). Сверхнизкий собственный ток потребления — до 50 мкА — практически определяет область применения INA333: различные прецизионные приложения с низким энергопотреблением, например, портативная медицинская аппаратура, системы сбора данных, электронные весы и переносные измерительные приборы. Внутренняя структурная схема INA333 (рис. 2) построена на основе классической архитектуры из 3-х ОУ (рис. 1), дополненной рядом новых и очень полезных узлов.

Структурная схема инструментального усилителя INA333

Рис. 2. Структурная схема инструментального усилителя INA333

INA333 является в своем роде уникальным инструментальным усилителем, в основном благодаря необычному сочетанию таких «противоречивых» характеристик, как, например, низкий уровень спектрального шума по входу (0,05 мкВ/√Гц в полосе 10…1000 Гц) и сверхмалый собственный ток потребления (максимум до 80 мкА во всем диапазоне температуры работы). А достижение таких параметров, как беспрецедентно низкий ток утечки по входу (200 пА) и практически полностью отсутствующий дрейф напряжения по входу (0,1 мкВ/°С) в очень широком диапазоне температуры работы (-40…125°С) стало возможным благодаря инновационным разработкам инженеров компании Texas Instruments. Например, технология автокоррекции напряжения смещения по входу встроена в каждый из трех внутренних ОУ в виде законченных узлов. Для сохранения стабильности в процессе работы автокалибровка выполняется каждые 8 мкс. Более того, после подачи питания в течение примерно 100 мкс производится автокалибровка цепей обратной связи, что также положительно сказывается на стабильности рабочих характеристик микросхемы.

Узел режекторного фильтра на переключаемых конденсаторах, включенного на входе, позволяет значительно уменьшить шум напряжения по входу до 50 нВ/√Гц, А специальные ВЧ-фильтры, включенные на все четыре входа INA333, в значительной степени уменьшают влияние внешних радиочастотных помех. Такое решение способно существенно понизить чувствительность к изменениям напряжения смещения, вызванным радиочастотным полем, что может оказаться важным преимуществом в применениях, требующих стабильности постоянного тока, например, в электронных весах.

Расчет внешних цепей INA333, как и всех других ИУ, построенных по схеме 3-х ОУ, сводится лишь к вычислению сопротивления резистора Rg (табл. 2), определяющего коэффициент усиления микросхемы, по очень простой формуле:

где Ku — коэффициент усиления по напряжению (G в англоязычной терминологии).

Таблица 2. Зависимость сопротивления внешнего резистора Rg от требуемого коэффициента усиления для INA333

Коэффициент усиления по напряжениюРасчетное сопротивление внешнего резистора RgБлижайшее подходящее сопротивление резистора Rg, кОм (1%)
1
2100 кОм100 кОм
525 кОм24,9 кОм
1011,1 кОм11 кОм
205,26 кОм5,23 кОм
502,04 кОм2,05 кОм
1001,01 кОм1 кОм
200502,5 Ом499 Ом
500200,4 Ом200 Ом
1000100,1 Ом100 Ом

Стоит отметить, что инструментальный усилитель INA333 подвержен тем же «болезням», что и другие ИУ. Например, ввиду очень высокого входного сопротивления (100 ГОм) микросхемы, при работе с любыми источниками сигнала, не имеющими непосредственной электрической связи с выводом REF (разумеется, кроме естественной емкостной связи), возможна такая ситуация, когда на обоих входах +IN и -IN возникнет постоянная составляющая, равная или превышающая напряжение питания INA333. В результате этого схема теряет работоспособность. Другими словами, необходима «подтяжка» обоих входов +IN и -IN (высокоомный источник сигнала) или любого из этих входов (низкоомный источник) к выводу REF (рис. 3).

Типовые схемы подключения INA333 к различным источникам сигнала

Рис. 3. Типовые схемы подключения INA333 к различным источникам сигнала

Кстати, грамотное использование вывода REF позволяет значительно сократить число внешних компонентов схемы. Пример — использование INA333 в качестве буферного усилителя двуполярного сигнала, который в дальнейшем предполагается оцифровывать подходящим АЦП с однополярным питанием. В этом случае необходим «сдвиг» выходного сигнала в диапазон работы АЦП. Т.е. для этого достаточно подать на вход REF половину напряжения опорного источника АЦП (например, недорогой LT1004-2.5 от TI), предварительно буферизированного любым подходящим ОУ (например, популярный 1/2 OPA2333 от TI).

Отдельно стоит осветить питание INA333. Как было сказано выше, новый ИУ имеет возможность работы как от однополярных (+1,8…5,5 В) так и от двуполярных источников питания (±0,9…±2,75 В) с очень малым током потребления 50 мкА (при Uпит = 1,8 В). Таким образом, основная область применения INA333 — устройства с батарейным питанием. А учитывая малые размеры корпусов, в которых поставляется микросхема (MSOP-8 и DFN-8), область применения распространяется и на малогабаритные устройства. Например, переносные измерительные приборы, умещающиеся на ладони. На рис. 4 изображено одно из применений INA333 — электрокардиограф.

Использование INA333 в составе электрокардиографа

Рис. 4. Использование INA333 в составе электрокардиографа

Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail

•••

Наши информационные каналы

↑ Что такое силовая и сигнальная «земля»?

Разберемся с заземлением в УМЗЧ. Следует понимать, что имеются земли двух типов: силовые (токовые) и сигнальные (потенциальные). По первым протекают токи, а по вторым практически нет (малые токи сигнала и смещения в дифференциальном каскаде). Как только в цепь потенциальной земли попадает отрезок токовой земли (иногда достаточно нескольких миллиметров!), возникают помехи и искажения выходного сигнала. Я сталкивался с ситуацией, когда один сантиметр общей сигнальной и силовой земли увеличивал коэффициент гармоник на два порядка – с тысячных долей процента до десятых!
Виновато конечное сопротивление «земляных» шин, которое приводит к тому, что импульсы тока по общему проводу с выхода усилителя могут попасть на его вход. Существуют три действенных способа борьбы с такими помехами:

— увеличение сечения шин общего провода; — соединение всех идущих к общему проводу проводников в одной точке; — гальваническая развязка общего провода входного каскада от шины питания выходных каскадов усилителя.

Последнее возможно в УМЗЧ с дифференциальным каскадом. С общим проводом источника сигнала связаны выводы R1, R2, С2 и С3, см. рис. 4 (сигнальная «земля»). Все остальные проводники, соединенные с общим проводом, подсоединены к силовой «земле». Кстати, некоторые конструкторы используют не две, а три «земли» — сигнальную, промежуточную и силовую. Для предотвращения выхода усилителя из строя при случайном отключении источника сигнала обе земляные шины соединены на плате резистором R6. Его сопротивление выбирают как компромисс между воздействием помех от «силовой» земли и влиянием на глубину отрицательной обратной связи (практический выбор – единицы … десятки Ом). В случаях, когда сигнальная земля образует замкнутый контур, он играет роль антенны, вызывая появление трудно устранимых наводок.

Вид смонтированного модуля УМЗЧ и блока питания к нему, вынесенный в аннотацию статьи, обязаны усилить желание немедленно самому собрать данную конструкцию.

Мной написана уникальная Бизнес – Книга – Инструкция «Библия Бога Аудио

Забыли пароль? Серебрянный Звук. Границы Непознаного Дикий Дикий Вест! Отрываемся по полной! Народная схемотехника Тракт Кунаширского — Russian audio tech! Оказывается недавно у нас на форуме появился очень интересный и скромный человек Вы наверное догадались кто? По своей скромности человек этот притворялся несведущим и просил меня организовать прослушки Алешинского аппарата в Москве будучи вроде как москвичом с его слов В общем вот фото девайса, даже без крышки: А дальше пытайте владельца этого чуда особенно москвичей касается — что лишний раз подтверждает кстати существования на руках значительного количества усилителей Алешина, да и моих тоже.

↑ Коммутатор входов и встроенный ЦАП FiiO D03K

В качестве бонуса решил сделать несколько входов с переключением. Два входа будут обычные «тюльпаны», а третий вход будет ЦАП. С «тюльпанами» все понятно, не интересно. Расскажу про ЦАП.
Есть такой ЦАП FiiO D03K. Нравится мне тем, что маленький и вполне приличный.

Коммутация входов

осуществляется с помощью двух реле типа TRS-5VDC-SB-L15-R.
Реле переключаются с помощью переключателя на 3 положение (оn – off — on), расположенного на передней панели усилителя. Логика работы такая: • Включено реле 1 – сигнал идет с ЦАП (левое положение переключателя). • Выключены оба реле — сигнал идет с тюльпана 1 (среднее положение переключателя). • Включено реле 2 – сигнал идет с тюльпана 2 (правое положение переключателя). Реле коммутируются «землей».
В итоге получилось вот такая плата усилителя:

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями: