Схемотехника инструментального усилителя Файл

СХЕМОТЕХНИКА ИНСТРУМЕНТАЛЬНОГО
УСИЛИТЕЛЯ
©А.В. Литвин
Практическое занятие: Схемотехника
инструментального усилителя
•
•
•
•
•
•
•
Цель занятия: Изучение схемотехники и расчета компонентов
инструментального усилителя.
Формируемые компетенции:
способностью использовать результаты освоения фундаментальных и
прикладных дисциплин магистерской программы (ПК-1);
способностью понимать основные проблемы в своей предметной области,
выбирать методы и средства их решения (ПК-3);
способностью самостоятельно приобретать и использовать в практической
деятельности новые знания и умения, в том числе в новых областях знаний,
непосредственно не связанных со сферой деятельности (ПК-4);
способностью проектировать устройства, приборы, системы и комплексы
биомедицинского и экологического назначения с учетом заданных
требований (ПК-9);
способностью разрабатывать проектно-конструкторскую документацию в
соответствии с методическими и нормативными требованиями (ПК10);способность применять современные компьютерные технологии в
научно-исследовательской деятельности.
Инструментальные усилители
• ИУ — устройство для усиления сигналов с высокой
точностью при больших уровнях синфазных
напряжений и шумов.
• Симметричность ИУ, операционные усилители с
малым коэффициентом шума на входах, высокий
коэффициент ослабления синфазного сигнала
(КОСС) или Common-Mode Rejection Ratio (CMRR),
сверхвысокие входные сопротивления.
• Наиболее популярная классическая схема ИУ на
трех операционных усилителях (ОУ).
Схема расчета
•
•
•
•
•
При расчетах принимают :
Vcф=Vд/2
Vд=Vвх+-VвхНапряжения на выходах усилителей А1 и
А2:
𝑉
𝑉1 = 𝑉сф − д 2V1-𝐼д ∗ 𝑅𝐹
• 𝑉2 = 𝑉сф +
или
𝑉д
2V1+𝐼д
•
𝑉1 = 𝑉сф − 𝐺1 ∗
𝑉Д
•
𝑉2 = 𝑉сф + 𝐺1 ∗
𝑉Д
где
•
𝐺1 = 1 + 𝑅𝐹
∗ 𝑅𝐹
2
2
𝑅𝐺
входные усилителя А1 и А2 усиливаются
только дифференциальные
составляющие с коэффициентом
усиления Gv, синфазная составляющая
усиливается ими с единичным
усилением.
Схема расчета
• Выходное напряжение
дифференциальным
усилителя A3 равно:
• 𝑉вых =
𝑉2 −𝑉1
• где 𝐺2 =
𝑅2
𝐺2 ,
𝑅1
• Полный коэффициент
усиления равен 𝐺п =
𝑉вых
𝐺1
=
𝑉д
𝐺2
Особенности ИУ
• ИУ позволяют устранить недостатки
дифференциальных усилителей (ДУ).
• Недостаток ДУ - зависимость коэффициента
усиления от сопротивления источника сигнала.
• Благодаря наличию двух дополнительных ОУ
перед ДУ достигается большое входное
сопротивление ИУ.
• Схема ИУ позволяет управлять коэффициентом
усиления одним резистором 𝑅𝐺 , который не
влияет на входное сопротивление ИУ.
Параметры инструментальных
усилителей Texas Instruments
Наименование
INA118
INA322
INA326
INA327
INA331
INA332
INA333
INA337
INA338
Коэфф.
усиления
1...10000
5...1000
0,1...10000
0,1...10000
5...1000
5...1000
1...1000
0,1...1000
0,1...1000
УроДрейф Коэфф.
Коэфф.
Макси- Частотвень
вход- нелинейподавмальный
спектного
ности
ления
ный
диапаральнапряв
синток
зон
ного
жения рабочей
фазных
утечки
(при
шума
смеполосе
помех,
по
G = 100),
по
щения, частот,
дБ
входу
кГц
входу,
мкВ/°C
%
нВ/√Гц
107
0,5
0,002
5 нА
70
10
60
7
0,01
10 пА
50
100
100
0,4
0,01
2 нА
1
33
100
0,4
0,01
2 нА
1
33
90
5
0,1
10 пА
2000
46
60
5
0,4
10 пА
500
46
100
0,1
0,001
0,2 нА
3,5
50
106
0,4
0,01
2 нА
1
33
106
0,4
0,01
2 нА
1
33
Минимальное
напряжение
питания,
В
Максимальное
напряжение
питания,
В
Собственный
ток
потребления,
мА
±1,35
2,5
2,7
2,7
2,5
2,5
1,8
2,7
2,7
±18
5,5
5,5
5,5
5,5
5,5
5,5
5,5
5,5
0,350
0,040
2,4
2,4
0,415
0,415
0,050
2,4
2,4
Схема INA333
• Структурная схема INA333 построена на
основе классической архитектуры из 3-х ОУ ,
дополненной рядом новых и очень полезных
узлов
Характеристика INA333
• ИУ INA333 большое соотношение сигнал-шум,
очень низкий дрейф входного напряжения, низкое
напряжение питания напряжением (от 1,8 В).
• Низкий собственный ток потребления - до 50 мкА.
• Область применения INA333:
• прецизионные приложения с низким
энергопотреблением, например, портативная
медицинская аппаратура, системы сбора данных,
электронные весы и переносные измерительные
приборы.
Характеристика INA333
• Для сохранения стабильности в процессе
работы автокалибровка выполняется
каждые 8 мкс.
• После подачи питания в течение 100 мкс
производится автокалибровка цепей
обратной связи, что также положительно
сказывается на стабильности рабочих
характеристик микросхемы
Характеристика INA333
• Узел режекторного фильтра на входе
значительно уменьшает шум напряжения по
входу.
• Специальные ФВЧ на всех входах INA333
уменьшают влияние внешних
радиочастотных помех, что существенно
понижает чувствительность к изменениям
напряжения смещения, вызванным
радиочастотным полем.
Коэффициент усиления
• Расчет внешних цепей
INA333 сводится к
вычислению
сопротивления
резистора Rg ,
определяющего
коэффициент усиления
микросхемы, по очень
простой формуле:
• Место для формулы.
• 𝑅𝐺 =
100
𝐾𝐺 −1
кОм
Ближайшее
Расчетное
Коэффициент
подходящее
сопротивление
сопротивление
усиления по
внешнего
резистора Rg,
напряжению
резистора Rg
кОм (1%)
10
11,1 кОм
11 кОм
20
5,26 кОм
5,23 кОм
50
2,04 кОм
2,05 кОм
100
1,01 кОм
1 кОм
200
502,5 Ом
499 Ом
500
200,4 Ом
200 Ом
1000
100,1 Ом
100 Ом
Схемы включения INA333
Питание INA333
• INA333 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).
• Основная область применения INA333 - устройства
с батарейным питанием.
• INA333А поставляется в корпусах MSOP-8 и DFN-8.
• Область применения распространяется и на
малогабаритные устройства. Например,
переносные измерительные приборы,
умещающиеся на ладони.
• Тип корпуса:
uSOP
• Количество выводов:
8
• Шаг выводов:
0.65 мм
(25.6 mils)
• Шаг рядов: 4.62 мм (181.9
mils)
• Размеры корпуса: 3 x 3 x
0.85 мм (118 x 118 x 33 mils)
• Подробнее:
http://www.compel.ru/packag
e/uSOP-8/#ixzz2gMwvzN8M
Канал усиления кардиографа
INA333
Корпус DFN 8
Задание:
• 1. Рассчитать компоненты и коэффициент
усилителя ИУ для подавления синфазной
помехи - 60 дБ.
• 2. Выполнить моделирование ИУ в системе
Electronic Workbench, построить графики.
• 4.Сравните параметры ИУ INA118 и INA333
• 5. Приведите схемы включения ИУ
• Примечание при расчетах использовать ряды
E для радиодеталей.
Контрольные вопросы:
• 1. Сколько ОУ имеет инструментальный
усилитель?
• 2. От чего зависит коэффициент усиления ИУ?
• 3 Какие контакты используются для питания?
• 4. Какие контакты используются для входа и
выхода?
• 5. От чего зависит входное сопротивление
ИУ?
• 6. С какой целью используется активнвя
земля?