Jak otrzymać wiele zakresów wzmocnienia we wzmacniaczu pomiarowym?

Pytanie:

Mam wzmacniacz pomiarowy, ale potrzebuję większego zakresu dynamicznego, niż jestem w stanie otrzymać przy stałym wzmocnieniu. Czy mogę dołączyć multipleksowane rezystory, aby uzyskać programowalne wzmocnienie?

Odpowiedź:

Aby zapewnić maksymalny zakres dynamiczny w precyzyjnych pomiarach odczytu z czujników, może być potrzebny wzmacniacz pomiarowy z programowalnym wzmocnieniem (PGIA).

Ponieważ większość wzmacniaczy pomiarowych wykorzystuje zewnętrzny rezystor ustalający wzmocnienie RG, mogłoby się wydawać, że żądane wzmocnienie można otrzymać za pomocą zestawu takich multipleksowanych rezystorów. Choć jest to możliwe, w przypadku użycia scalonego multipleksera użyteczność takiego rozwiązania zmniejszają trzy główne czynniki: ograniczenia napięć zasilania i sygnałów, przełączana pojemność oraz rezystancja włączenia.

Rys. 1. Wzmacniacz PGIA AD8421 z multiplekserem

 

Jak pozostać w dopuszczalnym zakresie sygnału

Scalone przełączniki CMOS wymagają źródła zasilania. Gdy napięcie drenu lub źródła przekroczy poziom zasilania, nastąpi niepożądany przepływ prądu powodujący niepoprawny stan wyjściowy. Napięcie na każdym rezystorze RG typowo jest zbliżone do spadku napięcia na diodzie na odpowiednim wejściu. Zatem zakres napięć sygnału musi być większy, niż zakres wejściowy wzmacniacza pomiarowego.

 

Wpływ pojemności

Przełączana pojemność zachowuje się podobnie, jak kondensator dołączony do jednego z pinów RG, przy pozostałych pinach RG pozostawionych bez zmian. Zbyt duży kondensator mógłby wywoływać tętnienia lub niestabilność, jednak łatwiejszym do przeoczenia zjawiskiem jest wpływ pojemności na tłumienie składowej sumacyjnej (CMRR). Podczas projektowania płytki płaszczyzna masy pod pinami RG jest zazwyczaj usuwana , ponieważ już niezrównoważenie pojemności poniżej 1 pF może doprowadzić do obniżenia CMRR. Przełączana pojemność może być w rzeczywistości rzędu dziesiątek pikofaradów, wprowadzając duże błędy. W uproszczonym przypadku wzmacniacza z doskonałym CMRR, braku RG i pojemności dołączonej do tylko jednego pinu RG, tłumienie składowej sumacyjnej pod wpływem pojemności można opisać wzorem

Jeśli na przykład rezystancja wewnętrznej pętli sprzężenia zwrotnego RF wynosi 25 kΩ, a CRG jest równa 10 pF, współczynnik CMRR dla częstotliwości 10 kHz wyniesie jedynie 36 dB. To skłania do wykorzystania przełącznika z małą pojemnością lub stosowania zrównoważonej architektury przełącznika. Przykładem jest architektura zaprezentowana na rys. 2, wykorzystująca przełączniki SPTS.

 

Wpływ rezystancji

Ostatnim czynnikiem bezpośrednio wpływającym na wzmocnienie wzmacniacza pomiarowego jest rezystancja przełącznika. Jeśli rezystancja włączenia jest wystarczająco mała, aby możliwe było uzyskanie pożądanego wzmocnienia, sytuacja jest bezpieczna. Jeśli jednak rezystancja przełącznika zmienia się wraz z napięciem drenu, co określa parametr RFLAT(ON), jej zmiana będzie wpływała na zależność wzmocnienia od napięcia składowej sumacyjnej, jak też spowoduje powstanie efektu nieliniowego we wzmocnieniu. Przykładowo, jeżeli RG jest równa 1 kΩ, a RFLAT(ON) przełącznika wynosi 10 Ω, wystąpi niepewność rzędu 1% w całym zakresie składowej sumacyjnej. Pewna część tego efektu będzie widoczna w sygnale różnicowym (na przykład zmiana o 2 Ω wywoła nieliniowość na poziomie 2000 ppm). To zjawisko skłania do użycia przełącznika o niskiej rezystancji włączenia, co stoi w sprzeczności z wyborem przełącznika o małej pojemności. Jest tak, ponieważ mała rezystancja włączenia występuje w tranzystorach o dużych wymiarach, natomiast mała pojemność występuje w małych tranzystorach. Poczwórny przełącznik SPST ADG5412F stanowi dobre rozwiązanie w wielu sytuacjach. Architektura tych przełączników, dodatkowo zabezpieczonych przed awariami, pozwoliła uzyskać rezystancję włączenia równą 10 Ω, która waha się minimalnie w całym zakresie parametrów sygnału. Natomiast przełączana pojemność ma wartość jedynie 12 pF.

Rys. 2. Zrównoważony wzmacniacz PGIA z poczwórnym przełącznikiem SPST ADG5412F oraz wzmacniaczem AD8421.

 

Jakie są alternatywy?

Istnieją również inne sposoby implementacji programowalnych wzmacniaczy pomiarowych, na wypadek gdyby zaprezentowane układy nie spełniały wymagań projektu. Zdecydowanie zalecane jest stosowanie zintegrowanego układu PGIA, jeśli tylko istnieje odpowiedni model. Zintegrowane wzmacniacze PGIA są projektowane pod kątem wysokich parametrów, mają mniejsze wymiary i mniej elementów pasożytniczych w porównaniu do rozwiązań dyskretnych. Ta specyfikacja uwzględnia już wpływ wewnętrznych przełączników. Dobrymi przykładami zintegrowanych układów PGIA są modele AD8231, AD8250/AD8251/AD8523 oraz LTC6915. Istnieją ponadto rozwiązania o wyższym stopniu integracji zawierające tą funkcję, takie jak AD7124-8 czy ADAS3022.

 

Podsumowanie

Wzmacniacze pomiarowe są komponentami wysokiej precyzji, które już na poziomie układów krzemowych muszą zapewnić maksymalne zrównoważenie, aby skutecznie tłumić składową sumacyjną Jest możliwe skonstruowanie wzmacniacza pomiarowego z programowalnym wzmocnieniem przy pomocy scalonych przełączników, jednak w ten sposób bardzo łatwo jest utracić korzyści ze zrównoważonej architektury, które decydują o precyzji wzmacniacza pomiarowego. Realizując taki projekt, konieczne jest uwzględnienie negatywnego wpływu niedoskonałości przełączników. Zrównoważone architektury przełączanego układu oraz nowoczesne przełączniki, takie jak ADG5412F, stanowią rozwiązania pomagające zoptymalizować projekt tego typu. Zalecane jest stosowanie zintegrowanych wzmacniaczy PGIA, w których wpływ przełączników został od razu uwzględniony w specyfikacji.

O autorze

Scott Hunt

Scott Hunt jest inżynierem aplikacyjnym ds. systemów specjalizującym się w precyzyjnych przyrządach pomiarowych. Jest członkiem Zespołu Technologii Liniowej i Precyzyjnej w Analog Devices w Wilmington. Scott dołączył do zespołu Analog Devices jako inżynier aplikacyjny ds. produktu odpowiedzialny za wydajne, zintegrowane wzmacniacze precyzyjne, w tym wzmacniacze pomiarowe. Ma licencjat z inżynierii elektrycznej i systemów komputerowych otrzymany na Rensselaer Polytechnic Institute. W 2015 roku Scott otrzymał od Analog Devices nagrody Outstanding Technical Writing oraz Outstanding Program Support.