W poniższym artykule omówimy jak zaprojektować niedrogi, szerokopasmowy wzmacniacz różnicowy (nazywany czasem pomiarowym lub instrumentalnym) korzystając z elementów dyskretnych oraz wzmacniaczy operacyjnych TLV3544 firmy Texas Instruments.
Układy tego rodzaju wykorzystywane są wszędzie tam, gdzie następuje potrzeba konwersji napięcia różnicowego na niesymetryczne. Wmacniacze tego rodzaju wykazują się regulowanym wzmocnieniem - wysoką impedancją wejściową. Wykorzystywane są w aplikacjach takich jak pomiary prądu, precyzyjne systemy akwizycji danych, front-endy analogowe, przedwzmacniacze mikrofonowe czy urządzenia medyczne. We wszystkich tych aplikacjach konieczny jest wzmacniacz szerokopasmowy, dlatego m.in. tej części projekty poświęcimy szczególną uwagę.
Wzmacniacze operacyjne z rodziny TLC354x to układy wyposażone w wejście i wyjście typu rail-to-rail, szerokie pasmo (200 MHz) i dużą prędkość narastania napięcia wyjściowego (do 150 V/µs). Układ ten zaprojektowany został m.in. do tych właśnie aplikacji, jakie wymieniono w powyższym akapicie.
Na rysunku 1 pokazany jest typowy dyskretny wzmacniacz różnicowy skonstruowany w oparciu o trzy wzmacniacze operacyjne. Tygo rodzaju topologia jest typowa dla tych układów.
.
Rys.1. Dyskretny wzmacniacz różnicowy zbudowany w oparciu o trzy wzmacniacze operacyjne TLV3544.
Na stopień wejściowy układu składają się dwa wzmacniacze nieodwracające, które zapewniają wysoką impedancję obu wejść różnicowych układów. Wzmocnienie tego stopnia systemu zależne jest od oporników RF1 = RF2 oraz RG.
Stopień wyjściowy wzmacniacza składa się z wzmacniacza różnicowego z wyjściem o niskiej impedancji. Wzmocnienie napięciowe drugiego stopnia naszego układu zależne jest od oporników R2 = R4 oraz R1 = R3.
Całkowite napięcie wyjściowe z układu z rysunku 1, na które składa się wzmocnienie pierwszego i drugiego stopnia układu oraz napięcie odniesienia, jakie podawane jest do układu, opisane jest wzorem:
Warto zwrócić uwagę, że tolerancja oporników w tym układzie ma negatywny wpływ na CMRR (odrzucenie sygnału współbieżnego) oraz błąd wzmocnienia układu. Dlatego też jakość i niska cena nie idą w parze w przypadku tych elementów, tak w wykonaniu dyskretnym jak i scalonym - konieczne są wysokiej jakości parowane oporniki, aby uzyskać wzmacniacz różnicowy wysokiej klasy.
Pasmo wzmacniacza pomiarowego zależne jest od trzech cech - wzmocnienia w otwartej pętli sprzężenia zwrotnego wykorzystanych op-ampów (AoI), wzmocnienia szumu (Gn) oraz tego jakie filtry znajdują się w układzie. Parametry te są szeroko opisane w literaturze, więc nie będziemy się skupiać na nich w tym artykule. Zasadniczo, upraszczając, to w tym układzie pasmo zależeć będzie głównie od wzmocnienia szumów przez stopień wyjściowy wzmacniacza.
Układ TLV3544, jak wiele innych szybkich wzmacniaczy, ma problemy ze stabilnością gdy opornik w pętli sprzężenia zwrotnego ma zbyt dużą rezystancję. Rysunek 2 pokazuje wyniki symulacji działania analizowanego układu dla opornika w pętli o wartości równej 200 Ω oraz 500 Ω. Warto też zaznaczyć, że minimalny margines fazy w tym układzie, aby zapewnić stabilne działanie, wynosi 45°. Zwiększanie wartości rezystancji tego elementu pozwala z kolei na zmniejszanie poboru prądu układu oraz wykorzystanie większych wartości RG1 do konfiguracji wzmocnienia w systemie.
Rys.2. Wyniki symulacji odpowiedzi częstotliwościowej, marginesu fazy i pasma projektowanego układu, przeprowadzonej w TINA-TI. Analizy przeprowadzono dla dwóch wartości oporników w pętli sprzężenia zwrotnego op-ampów w pierwszym stopniu.
Symulacja układu z opornikami o rezystancji 200 Ω wskazała, że margines fazy w układzie wynosi 54°; gdy zastosowania oporniki 500 Ω to margines fazy spadł do 26°.
Jako że jest to układ dyskretny mamy bezpośredni dostęp do pętli sprzężenia zwrotnego, co pozwala nam na zastosowanie np. pewnych metod kompensacji niejednostajności widma odpowiedzi układu. Aby zrealizować taką kompensację dodać możemy kondensator w pętli sprzężenia zwrotnego. Równanie (2) pozwala obliczyć częstotliwość graniczną (-3 dB) otrzymanego filtra dolnoprzepustowego:
Rysunek 3 pokazuje schemat układu z filtrem oraz wyliczoną odpowiedź częstotliwościową. Należy pamiętać, że dodanie filtra zmieni pasmo całego układu, jak pisano wcześniej.
Rys.3. Zmieniony schemat wzmacniacza oraz wyniki symulacji w programie TINA-TI.
Jako że do realizacji zaprezentowanego tutaj wzmacniacza różnicowego wystarczą try op-ampy to w oparciu o czwarty element, jaki znajduje się w układzie scalonym TLV3544 skonstruować można np. bufor (wtórnik napięciowy) dla napięcia odniesienia.
Wystarczy więc jeden układ scalony, taki jak TLV3544, aby skonstruować szerokopasmowy wzmacniacz pomiarowy. To bardzo dobre w aplikacjach, gdzie jednocześnie liczy się precyzja jak i niski finalny koszt układu.
Źródło: http://e2e.ti.com/blogs_/b/precisionhub/archive/2017/02/03/designing-a-discrete-wide-bandwidth-cost-sensitive-instrumentation-amplifier
Układy tego rodzaju wykorzystywane są wszędzie tam, gdzie następuje potrzeba konwersji napięcia różnicowego na niesymetryczne. Wmacniacze tego rodzaju wykazują się regulowanym wzmocnieniem - wysoką impedancją wejściową. Wykorzystywane są w aplikacjach takich jak pomiary prądu, precyzyjne systemy akwizycji danych, front-endy analogowe, przedwzmacniacze mikrofonowe czy urządzenia medyczne. We wszystkich tych aplikacjach konieczny jest wzmacniacz szerokopasmowy, dlatego m.in. tej części projekty poświęcimy szczególną uwagę.
Wzmacniacze operacyjne z rodziny TLC354x to układy wyposażone w wejście i wyjście typu rail-to-rail, szerokie pasmo (200 MHz) i dużą prędkość narastania napięcia wyjściowego (do 150 V/µs). Układ ten zaprojektowany został m.in. do tych właśnie aplikacji, jakie wymieniono w powyższym akapicie.
Na rysunku 1 pokazany jest typowy dyskretny wzmacniacz różnicowy skonstruowany w oparciu o trzy wzmacniacze operacyjne. Tygo rodzaju topologia jest typowa dla tych układów.
.
Rys.1. Dyskretny wzmacniacz różnicowy zbudowany w oparciu o trzy wzmacniacze operacyjne TLV3544.
Na stopień wejściowy układu składają się dwa wzmacniacze nieodwracające, które zapewniają wysoką impedancję obu wejść różnicowych układów. Wzmocnienie tego stopnia systemu zależne jest od oporników RF1 = RF2 oraz RG.
Stopień wyjściowy wzmacniacza składa się z wzmacniacza różnicowego z wyjściem o niskiej impedancji. Wzmocnienie napięciowe drugiego stopnia naszego układu zależne jest od oporników R2 = R4 oraz R1 = R3.
Całkowite napięcie wyjściowe z układu z rysunku 1, na które składa się wzmocnienie pierwszego i drugiego stopnia układu oraz napięcie odniesienia, jakie podawane jest do układu, opisane jest wzorem:
$$V_{out} = V_{diff} \times (1 + \frac {2R_{F1}} {R_{G1}}) (\frac {R_2} {R_1}) + V_{ref}$$ (1)
Warto zwrócić uwagę, że tolerancja oporników w tym układzie ma negatywny wpływ na CMRR (odrzucenie sygnału współbieżnego) oraz błąd wzmocnienia układu. Dlatego też jakość i niska cena nie idą w parze w przypadku tych elementów, tak w wykonaniu dyskretnym jak i scalonym - konieczne są wysokiej jakości parowane oporniki, aby uzyskać wzmacniacz różnicowy wysokiej klasy.
Pasmo wzmacniacza pomiarowego zależne jest od trzech cech - wzmocnienia w otwartej pętli sprzężenia zwrotnego wykorzystanych op-ampów (AoI), wzmocnienia szumu (Gn) oraz tego jakie filtry znajdują się w układzie. Parametry te są szeroko opisane w literaturze, więc nie będziemy się skupiać na nich w tym artykule. Zasadniczo, upraszczając, to w tym układzie pasmo zależeć będzie głównie od wzmocnienia szumów przez stopień wyjściowy wzmacniacza.
Układ TLV3544, jak wiele innych szybkich wzmacniaczy, ma problemy ze stabilnością gdy opornik w pętli sprzężenia zwrotnego ma zbyt dużą rezystancję. Rysunek 2 pokazuje wyniki symulacji działania analizowanego układu dla opornika w pętli o wartości równej 200 Ω oraz 500 Ω. Warto też zaznaczyć, że minimalny margines fazy w tym układzie, aby zapewnić stabilne działanie, wynosi 45°. Zwiększanie wartości rezystancji tego elementu pozwala z kolei na zmniejszanie poboru prądu układu oraz wykorzystanie większych wartości RG1 do konfiguracji wzmocnienia w systemie.
Rys.2. Wyniki symulacji odpowiedzi częstotliwościowej, marginesu fazy i pasma projektowanego układu, przeprowadzonej w TINA-TI. Analizy przeprowadzono dla dwóch wartości oporników w pętli sprzężenia zwrotnego op-ampów w pierwszym stopniu.
Symulacja układu z opornikami o rezystancji 200 Ω wskazała, że margines fazy w układzie wynosi 54°; gdy zastosowania oporniki 500 Ω to margines fazy spadł do 26°.
Jako że jest to układ dyskretny mamy bezpośredni dostęp do pętli sprzężenia zwrotnego, co pozwala nam na zastosowanie np. pewnych metod kompensacji niejednostajności widma odpowiedzi układu. Aby zrealizować taką kompensację dodać możemy kondensator w pętli sprzężenia zwrotnego. Równanie (2) pozwala obliczyć częstotliwość graniczną (-3 dB) otrzymanego filtra dolnoprzepustowego:
$$f_p = \frac {1} {2 \pi RC} = \frac {1} {1 \ pi 500 \times 4p} = 79,6 kHz$$ (2)
Rysunek 3 pokazuje schemat układu z filtrem oraz wyliczoną odpowiedź częstotliwościową. Należy pamiętać, że dodanie filtra zmieni pasmo całego układu, jak pisano wcześniej.
Rys.3. Zmieniony schemat wzmacniacza oraz wyniki symulacji w programie TINA-TI.
Jako że do realizacji zaprezentowanego tutaj wzmacniacza różnicowego wystarczą try op-ampy to w oparciu o czwarty element, jaki znajduje się w układzie scalonym TLV3544 skonstruować można np. bufor (wtórnik napięciowy) dla napięcia odniesienia.
Wystarczy więc jeden układ scalony, taki jak TLV3544, aby skonstruować szerokopasmowy wzmacniacz pomiarowy. To bardzo dobre w aplikacjach, gdzie jednocześnie liczy się precyzja jak i niski finalny koszt układu.
Źródło: http://e2e.ti.com/blogs_/b/precisionhub/archive/2017/02/03/designing-a-discrete-wide-bandwidth-cost-sensitive-instrumentation-amplifier
Cool? Ranking DIY
