Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Rzadko zadawane pytania: jak regulować gain wzmacniacza pomiarowego

ghost666 03 Paź 2018 16:10 1467 4
  • Rzadko zadawane pytania: jak regulować gain wzmacniacza pomiarowego
    Pytanie: Wykorzystuję w moim układzie wzmacniacz pomiarowy (instrumentalny), ale potrzebuję szerszego zakresu dynamiki niż mam obecnie, przy pojedynczej konfiguracji wzmocnienia. Czy mogę multipleksować oporniki konfigurujące wzmocnienia, aby uzyskać programowalne wzmocnienie układu?

    Odpowiedź: Najlepiej wykorzystać wzmacniacz pomiarowy o programowalnym wzmocnieniu (PGIA). Ponieważ większość wzmacniaczy instrumentalnych (pomiarowych) wykorzystuje pojedynczy opornik – RG – do konfiguracji wzmocnienia, wydaje się, że stworzenie programowalnego wzmacniacza w oparciu o taki układ powinno być proste – wystarczy przełączać układ pomiędzy różnymi opornikami, aby zmieniać wzmocnienie.

    Jakkolwiek jest to możliwe, to są trzy główne powody, dla których nie poleca się takiego rozwiązania. Po pierwsze, narzuca to ograniczenia dotyczące napięcia zasilania układu; po drugie, ogranicza napięcie sygnału wejściowego, z jakim możemy pracować, a po trzecie - pogarsza parametry układu pojemnością i rezystancją multipleksera, jaki musielibyśmy wykorzystać do przełączania oporników regulujących wzmocnienie.

    Rzadko zadawane pytania: jak regulować gain wzmacniacza pomiarowego
    Rys.1. Wzmacniacz instrumentalny o programowalnym wzmocnieniu (PGIA) AD8421 z multiplekserem do regulacji wzmocnienia.


    Pozostać w zakresie prawidłowego sygnału

    Półprzewodnikowe przełączniki w technologii CMOS wymagają źródła zasilania. Gdy napięcie źródła bądź drenu przekroczy napięcie zasilania, prąd popłynąć może w układzie w nieprzewidziany sposób, powodując, iż na jego wyjściu pojawi się nieprawidłowe napięcie.

    Napięcie na pinach RG wzmacniacza pomiarowego jest zazwyczaj mniejsze o nie więcej niż jeden spadek na diodzie krzemowej od napięcia na korespondującym wejściu wzmacniacza. Dlatego też zakres napięć, jakie tam występują jest taki sam jak napięć wejściowych wzmacniacza. Jeśli w tym miejscu podłączyć chcemy multiplekser, to jego zakres napięć pracy (definiowany przez wartość napięcia zasilania) powinien być nie mniejszy niż zakres napięć wejściowych PGIA.





    Poznać pojemność

    Pojemność przełącznika w multiplekserze widoczna jest jako kondensator z jednej strony podłączony do pinu RG, a z drugiej np. do masy. Odpowiednio duża pojemność podłączona w ten sposób spowodować mogłaby niestabilność układu lub pojawianie się nietypowych pików na jego charakterystyce.

    Jednakże to inny, często pomijany efekt, jest większym problemem – wpływ tej pojemności na współczynnik odrzucenia sygnału współbieżnego (CMRR). Projektując płytkę drukowaną, często usuwa się wylewkę masy spod ścieżek prowadzących do opornika RG. Wynika to z faktu, że asymetria pojemności (w tym wypadku pasożytniczej do ścieżek) na poziomie poniżej 1 pF istotnie pogarsza CMRR układu.

    Pojemność przełącznika multipleksera wynosić może kilkadziesiąt pikofaradów, co powodować może duże błędy w działaniu układu. Załóżmy idealny wzmacniacz pomiarowy z nieskończonym CMRR, bez podłączonego opornika RG i pojemnością CRG na tylko jednym z pinów RG układu. W takim wypadku CMRR układu opisany będzie wzorem:

    $$CMRR = -20 \times log _{10} (f \ times 2 \pi \times RF \times C_{RG})$$

    Na przykład, dla układu z wewnętrznym rezystorem sprzężenia o wartości 25 kΩ i pojemnością CRG = 10 pF, dla 10 kHz CMRR wyniesie zaledwie 36 dB. To bardzo mała wartość, dlatego też krytyczne jest stosowanie przełączników o bardzo niskiej pojemności lub też stosowanie zbalansowanej architektury do przełączania rezystorów konfigurujących wzmocnienie, jak pokazano na rysunku 2.

    Rozważyć rezystancję

    Ostatnim czynnikiem, nad którym musimy się pochylić, jest sama rezystancja multipleksera. Wpływa ona bezpośrednio na błąd wzmocnienia PGIA. Jeśli jest ona bardzo mała, to może to nie być wielkim problemem, gdyż nadal pozwoli uzyskać założony poziom wzmocnienia układu.

    Problemem jest jednak to, że rezystancja przełącznika nie jest stała – zmienia się wraz z napięciem drenu, jak specyfikuje to parametr RFLAT(ON). Zmiana rezystancji tego elementu sprawia, że efektywnie wzmocnienie PGIA zależy od napięcia współbieżnego podanego na wzmacniacz oraz jest mocno nieliniowe. Na przykład dla RG równego 1 kΩ i wykorzystaniu przełącznika z RFLAT(ON) równym 10 Ω RFLAT(ON), błąd wzmocnienia układu wynosić będzie 1% w całym zakresie napięć współbieżnych.

    Taka zależność wskazuje, że powinno się korzystać z multiplekserów o niskiej rezystancji, co stoi w sprzeczności z wymaganiem, aby stosować układy o niskiej pojemności. Niskiej rezystancji używa się stosując duże tranzystory w układzie, a te z kolei charakteryzują się największą pojemnością.

    Dobrym kompromisem może być np. układ ADG5412F – poczwórny przełącznik analogowy SPST, który zapewnia dosyć dobre oba parametry – rezystancja kanału jest na poziomie 10 Ω, a jej zależność od napięcia została zoptymalizowana tak, aby była minimalna w całym zakresie napięć pracy. Z kolei pojemność układu wynosi zaledwie 12 pF.

    Rzadko zadawane pytania: jak regulować gain wzmacniacza pomiarowego
    Rys.2. Zbalansowany PGIA z układem ADG5412F, czterema przełącznikami SPST i AD8421.


    Akceptować alternatywy

    Są jeszcze inne, alternatywne rozwiązania układowe, jeśli np. zaproponowany powyżej multiplekser nie spełnia wymogów naszego układu.

    Najlepiej jest do tego rodzaju układu wybrać pasujący nam, scalony wzmacniacz pomiarowy o programowalnym wzmocnieniu. Zazwyczaj PGIA o wysokim stopniu integracji charakteryzować się będą wyższym poziomem parametrów, a związku z wysoką integracją i niewielkim rozmiarem, będą mniej podatne na pasożytnicze pojemności itp. Układy tego rodzaju posiadają wbudowane przełączniki do zmiany wzmocnienia, których wpływ na sygnał jest już uwzględniony w karcie charakterystyki danego elementu.

    Istnieje obecnie na rynku wiele scalonych układów PGIA, np. AD8231, rodzina AD8250/AD8251/AD8253 czy LTC6915. Dodatkowo, szereg układów o wyższym poziomie integracji także posiada wbudowaną funkcjonalność tego rodzaju , na przykład AD712408 czy ASAD3022.

    Podsumowanie

    Wzmacniacze pomiarowe są niezwykle precyzyjnymi elementami, zaprojektowanymi tak, by na każdym poziomie były tak zrównoważone i symetryczne, jak to tylko możliwe. Wszystko, do samego projektu układu krzemowego, zapewnić ma możliwie wysoki poziom odrzucenia sygnału współbieżnego (CMRR).

    Możliwa jest konstrukcja PGIA w oparciu o zwykły wzmacniacz pomiarowy i multiplekser przełączający oporniki, jednakże w ten sposób bardzo łatwo jest odstroić ten układ od idealnej równowagi i istotnie zmniejszyć precyzję układu, redukując CMRR. Konieczne jest uwzględnienie tych efektów w całkowitej ocenie parametrów układu.

    Zrównoważona architektura przełączania oporników oraz wykorzystanie nowoczesnych multiplekserów, takich jak ADG5412F pozwala na zoptymalizowanie tej topologii, dzięki czemu parametry wzmacniacza nie są mocno pogarszane.

    Mimo to najlepiej jednak skorzystać ze zintegrowanych układów PGIA, gdyż oferują one najwyższe parametry – wbudowane w nie multipleksery dopasowane są do działania wzmacniacza, a parametry podawane w karcie katalogowej uwzględniają wprowadzane przez przełączniki pogorszenie parametrów.

    Źródło: http://www.analog.com/en/analog-dialogue/raqs/raq-issue-155.html[/quote]


    Fajne! Ranking DIY
  • #2 05 Paź 2018 00:31
    2P
    Poziom 19  

    Gain - wzmocnienie. Pisałem poprawkę do tego postu, ale widzę, że to nie działa. Zawsze można pojechać po bandzie: jak changować gain amplifajera instrumentalnego.

    Pomijając wtopę w tytule i nieco rażącą reklamę jednego producenta, to artykuł ciekawy - pokazuje kilka aspektów na które trudno wpaść samemu w pierwszej chwili.

  • #3 05 Paź 2018 12:32
    ghost666
    Tłumacz Redaktor

    2P napisał:
    Gain - wzmocnienie. Pisałem poprawkę do tego postu, ale widzę, że to nie działa. Zawsze można pojechać po bandzie: jak changować gain amplifajera instrumentalnego.


    Przyznam Ci się szczerze, że jakkolwiek wiem, że na Elce nie nikt nie lubi stwierdzenia 'gain' to użyłem go tutaj intencjonalnie z powodów technicznych - nie mieścił się tytuł z "wzmocnieniem" - oraz stylistycznych - "wzmocnienie wzmacniacza" brzmi po prostu słabo ;).

    2P napisał:
    Pomijając wtopę w tytule i nieco rażącą reklamę jednego producenta, to artykuł ciekawy - pokazuje kilka aspektów na które trudno wpaść samemu w pierwszej chwili.


    Reklama - niestety, ale te artykuły pisane są przez tego konkretnego producenta, ale tłumaczę je i tutaj opisuje właśnie dlatego, że jest w nich sporo ciekawych informacji, które tak na prawdę bez problemu da się uogólnić na wszystkie układy tego rodzaju.

  • #4 18 Paź 2018 21:14
    ufolek
    Poziom 12  

    Ja w takim układzie na INA128 stosowałem mikro przekaźniki Panasonic. Niby prymitywne, ale w porządnych przyzadach tez czesto cos klika 😉

  • #5 19 Paź 2018 09:27
    ghost666
    Tłumacz Redaktor

    ufolek napisał:
    Ja w takim układzie na INA128 stosowałem mikro przekaźniki Panasonic. Niby prymitywne, ale w porządnych przyzadach tez czesto cos klika 😉


    No, mechaniczne przekaźniki to jest klasyk stosowany bardzo często i będący bardzo praktycznym.