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

Rzadko zadawane pytania: Jak uzyskać sygnał symetryczny z wyjścia asymetrycznego

ghost666 23 Kwi 2019 09:00 1500 0
  • Rzadko zadawane pytania: Jak uzyskać sygnał symetryczny z wyjścia asymetrycznego
    Pytanie: Czy możliwe jest wygenerowanie sygnału różnicowego z wyjścia wzmacniacza pomiarowego?

    Odpowiedź: Wraz z postępem technologii i zwiększaniem poziomu dokładności i precyzji torów pomiarowych, coraz częściej wymaga się tworzenia w pełni symetrycznych torów analogowych. Jedną z istotnych zalet takiego rozwiązania jest odporność na szum toru analogowego, jaki wprowadzany jest do sygnału na płytce drukowanej. Jako że zakłócenia przenikające do ścieżek są dla obu sygnałów różnicowych takie same - są sygnałem współbieżnym z punktu widzenia wzmacniaczy pomiarowych, dlatego też są z niego usuwane. Dodatkowo, w torze symetrycznym, można uzyskać dwa razy wyższą dynamikę sygnału niż w torze asymetrycznym przy takim samym zasilaniu.

    Dzięki tym wszystkim zaletom, w torze w pełni różnicowym osiąga się o wiele wyższy stosunek sygnału do szumu (SNR). Jednakże budowa takiego toru wymaga szczególnych układów. Klasyczny wzmacniacz różnicowy oparty na trzech wzmacniaczach operacyjnych (op-ampach) ma wiele zalet: wysoki stopień odrzucenia sygnału współbieżnego, wysoką impedancję wejściową, precyzyjne i regulowane wzmocnienie... Niestety zawodzi, gdy potrzebujemy wyjścia różnicowego. Istniej jednakże kilka sposobów, by uzyskać wyjście różnicowe z wykorzystaniem standardowych elementów, ale niestety - sposoby te mają także swoje wady.

    Rzadko zadawane pytania: Jak uzyskać sygnał symetryczny z wyjścia asymetrycznego
    Rys.1. Klasyczny wzmacniacz różnicowy zestawiony z trzech op-ampów.


    Jedną z technik jest sterowanie pinu referencyjnego za pomocą zewnętrznego wzmacniacza operacyjnego z wejściem nieodwracającym na poziomie napięcia współbieżnego, a wejściem odwracającym na poziomie potencjału pomiędzy dwoma opornikami łączącymi ze sobą wyjścia op-ampa i wzmacniacza pomiarowego razem, jak pokazano to na rysunku 2.

    Konfiguracja ta wykorzystuje wyjście wzmacniacza pomiarowego jako wyjście dodatnie, a wyjście op-ampa jako wyjście ujemne. Ponieważ dwa wyjścia pochodzą z różnych układów, niedopasowanie dynamiki między tymi układami może drastycznie wpłynąć na ogólną poprawność i precyzję działania obwodu. Ponadto konieczność dopasowania do siebie dwóch rezystorów powoduje, że napięcie współbieżne sygnału wyjściowego przesuwa się wraz z tym sygnałem, co może powodować powstawanie zniekształceń. Projektując ten obwód, należy wziąć pod uwagę stabilność wzmacniaczy oraz rozważyć dodanie kondensatora w pętli sprzężenia zwrotnego op-ampa. Jego dodanie jednakże ograniczy pasmo działania układu. Pamiętać także trzeba, że zakres wzmocnienia tego obwodu jest sterowany przez wzmacniacz pomiarowy, co oznacza, że uzyskanie wzmocnień mniejszych niż jednostkowe nie jest w takim systemie możliwe.

    Rzadko zadawane pytania: Jak uzyskać sygnał symetryczny z wyjścia asymetrycznego
    Rys.2. Wykorzystanie zewnętrznego op-ampa do wygenerowania wyjścia odwracającego.


    Drugą techniką jest podłączenie dwóch wzmacniaczy pomiarowych antyrównolegle ze sobą do tych samych wejść, jak pokazano na rysunku 3. Taka konfiguracja ma lepiej dopasowane do siebie obwody sterujące, a także pasmo przenoszenia równe paśmie wykorzystanych wzmacniaczy instrumentalnych. Jednak układ taki nie jest w stanie uzyskać wzmocnienia mniejszego niż dwa. Obwód ten wymaga również precyzyjnie dopasowanych rezystorów wzmocnienia, aby uzyskać sygnał w pełni symetryczny. Niedopasowanie tych rezystorów powoduje przesunięcia w wyjściowym sygnale poziomu napięcia współbieżnego.

    Rzadko zadawane pytania: Jak uzyskać sygnał symetryczny z wyjścia asymetrycznego
    Rys.3 Wykorzystanie drugiego wzmacniacza różnicowego do wygenerowania wyjścia odwracającego.


    Niestety dwa zaprezentowane powyżej podejścia mają swoje ograniczenia, jeśli chodzi o maksymalne dopuszczalne wzmocnienie, a ponadto wymagają precyzyjnie dopasowanych do siebie komponentów, co utrudnia aplikację w realnym układzie.

    Nowa technologia połączenia skośnego

    Dzięki połączeniu wzmacniaczy „na krzyż” jak pokazano na rysunku 4 możliwe jest uzyskanie w pełni różnicowego wyjścia z wzmacniaczy różnicowych. Dodatkowo, w układzie takim, wzmocnieniem steruje pojedynczy opornik. Co więcej, piny poziomu odniesienia można ze sobą połączyć, dzięki temu możliwe jest wspólne regulowanie poziomu napięcia odniesienia w sygnale wyjściowym.

    Rzadko zadawane pytania: Jak uzyskać sygnał symetryczny z wyjścia asymetrycznego
    Rys.4.Wzmacniacze pomiarowe połączone skośnie. by stworzyć w pełni różnicowe wyjście z układu.


    Wzmocnienie dla In_A wyznaczamy z wykorzystaniem równań pokazanych poniżej. Ponieważ napięcie wejściowe pojawia się na nieodwracających pinach buforów wejściowych wzmacniacza 2, a drugi pin rezystorów R2 i R3 jest na potencjale 0 V, wzmocnienie dla tych buforów jest zgodne ze wzorem dla wzmacniacza operacyjnego w konfiguracji nieodwracającej. Podobnie, w przypadku buforów wejściowych wzmacniacza 1, wzmocnienie jest zgodne ze wzmocnieniem wzmacniacza operacyjnego w konfiguracji odwracającej. Ponieważ wszystkie oporniki we wzmacniaczu różnicowym są do siebie precyzyjnie dopasowane, jak pokazuje rysunek 5, wzmocnienie z wyjścia pokazanych buforów jest równe dokładnie jeden.

    Rzadko zadawane pytania: Jak uzyskać sygnał symetryczny z wyjścia asymetrycznego
    Rys.5.Dopasowane oporniki we wnętrzu wzmacniacza pomiarowego – klucz do implementacji techniki połączenia skośnego.


    $$V_{OUT_A} = -V_1 \times (\frac {R_1} {R_3} - \frac {R_1}{R_2})$$
    $$V_{OUT_B} = V_1 \times (\frac {R_1} {R_3} - \frac {R_1}{R_2})$$

    Analogicznie, jeśli napięcie V2 przyłożone jest do In_B w momencie gdy In_A jest na potencjae masy to na wyjściu układu zaobserwujemy:

    $$V_{OUT_A} = V_2 \times (\frac {R_1} {R_3} - \frac {R_1}{R_2})$$
    $$V_{OUT_B} = -V_2 \times (\frac {R_1} {R_3} - \frac {R_1}{R_2})$$

    Jeśli teraz wykorzystamy powyższe równania możemy wyznaczyć całkowite wzmocnienie układu:

    $$V_{IN} = IN_A - IN_B = V_1 - V_2$$
    $$V_{OUT} = V_{OUT_A} - V_{OUT_B}$$
    $$G = 2 \times (\frac {R_1} {R_3} - \frac {R_1}{R_2})$$

    Oporniki R3 i R2 ustawiają wzmocnienie obwodu, ale tylko jeden z nich jest potrzebny do uzyskania na wyjściu sygnału całkowicie różnicowego. To jakim wyjściem - odwracającym / nieodwracającym – będzie konkretny wzmacniacz w systemie uzależnione jest tego, który zainstalowano opornik. Nieobsadzanie opornika R3 spowodowałoby, że drugi człon w równaniu opisującym wzmocnienie zeruje się. Dlatego efektywne wzmocnienie w układzie równe jest 2 × R1 / R2. Z kolei nieobsadzenie opornika R2 spowoduje, że pierwszy człon w równaniu wzmocnienia będzie równy zero. Dlatego efektywne wzmocnienie wyniesie -2 × R1 / R3.

    Inną rzeczą, na którą należy zwrócić w tym układzie uwagę, jest fakt, że wzmocnienie jest jedynie współczynnikiem, a zatem nic nie stoi na przeszkodzie, by uzyskać wzmocnienie mniejsze niż jednostkowe. Należy pamiętać, że ponieważ oporniki R2 i R3 mają odwrotny wpływ na wzmocnienie, to obsadzenie obu rezystorów sprawiłoby, że pierwszy stopień miałby większe wzmocnienie niż drugi. Może to spowodować pojawienie się na wyjściu układu nadmiernego offsetu pochodzącego z op-ampów pierwszego stopnia.

    Aby przedstawić ten układ w realnym użyciu, wykorzystano dwa wzmacniacze AD8221. Zostały one połączone razem, jak pokazano na rysunku 5. Opornik R1 ma w tym systemie rezystancję równą 24,7 kΩ, a zatem wzmocnienie równe 1 jest osiągane, gdy rezystancja R2 wynosi 49,4 kΩ.

    Kanał pierwszy (CH1) to sygnał wejściowy dla In_A, kanał drugi (CH2) to VOUT_A, a kanał trzeci (CH3) obrazuje VOUT_B. Wyjścia A i B są do siebie dopasowane i nie są w tej samej fazie. Różnica jest równa amplitudzie sygnału wejściowego. Na rysunku 6 pokazano wyniki pomiarów tego układu.

    Rzadko zadawane pytania: Jak uzyskać sygnał symetryczny z wyjścia asymetrycznego
    Rys.6. Pomiary układów połączonych na krzyż wzmacniaczy dla wzmocnienia równego 1.


    Następnie zmieniamy lokalizację opornika ustawiającego wzmocnienie (49.4 kΩ) z pozycji R2 do R3. W takiej sytuacji wzmocnienie wynosi -1, a Out_A nie jest w fazie z wejściem. Wyniki pomiaru w tej sytuacji zaprezentowano na rysunku 7.

    Rzadko zadawane pytania: Jak uzyskać sygnał symetryczny z wyjścia asymetrycznego
    Rys.7. Pomiary układów połączonych na krzyż wzmacniaczy dla wzmocnienia równego -1.


    Jak wspomniano wcześniej, jednym z ograniczeń innych technik jest niemożność uzyskania tłumienia sygnału. W tym przypadku, jeżeli zastosujemy R2 = 98.8 kΩ, układ tłumi sygnał wyjściowy o czynnik dwa, ponieważ efektywne wzmocnienie równe jest ½. Obrazują to pomiary pokazane na rysunku 8.

    Rzadko zadawane pytania: Jak uzyskać sygnał symetryczny z wyjścia asymetrycznego
    Rys.8. Pomiary układów połączonych na krzyż wzmacniaczy dla wzmocnienia równego 1/2.


    Finalnie, można skonfigurować układ do pracy z wyższym wzmocnieniem. Jeżeli jako opornik R2 wykorzystamy element o rezystancji równej 494 Ω, to wzmocnienie wyniesie 100. Pomiary przeprowadzone w tej sytuacji pokazano na rysunku 9.

    Rzadko zadawane pytania: Jak uzyskać sygnał symetryczny z wyjścia asymetrycznego
    Rys.9. Pomiary układów połączonych na krzyż wzmacniaczy dla wzmocnienia równego 100.


    Zaprezentowany układ działa zgodnie z opisem przedstawionym na równaniach. Aby uzyskać optymalne działanie systemu, należy jednakże podjąć pewne środki ostrożności podczas korzystania z tej techniki.

    Duża tolerancja i dryft rezystorów wzmocnienia zwiększy błąd wzmocnienia układu, dlatego należy wybierać elementy o odpowiedniej precyzji i niewielkim dryfcie termicznym i długoczasowym, aby spełnić wymagania dotyczące błędu wzmocnienia.

    Dodatkowo, ponieważ pojemność na pinach Rg wzmacniacza może powodować ograniczenie pasma układu, należy zachować ostrożność w tych punktach, zwłaszcza jeśli wymagane jest szerokie pasmo.

    Finalnie, problemem może być także rozrzut parametrów pomiędzy dyskretnymi wzmacniaczami oraz ich różny dryft przy niejednakowej temperaturze elementów. Dlatego należy zachować ostrożność w doborze układu i jego obciążenia. Używanie dwukanałowego wzmacniacza pomiarowego, takiego jak na przykład AD8222, ułatwić może przezwyciężenie tych potencjalnych problemów.

    Podsumowanie

    Wykorzystanie połączenia wzmacniaczy „na krzyż” zapewnia układ z wyjściem różnicowym, mający jednocześnie wysokie parametry, a dodatkowo zapewniający kilka dodatkowych funkcji. Jakkolwiek wszystkie pozostałe układy także spełniają podstawowe wymagania i oferują wyjście różnicowe, ale tylko ten ostatni nie wymaga precyzyjnego dobierania oporników czy innych problematycznych zabiegów.

    Dodatkowo, jak pokazano na powyższych równaniach, z dwoma wzmacniaczami pomiarowymi połączonymi ze sobą skośnie, można uzyskiwać szeroki zakres wzmocnień, w tym także wzmocnienia poniżej jedności. Oznacza to, że można w ten sposób uzyskać tłumiki sygnału.

    Finalną zaletą tego rozwiązania jest fakt, że polaryzacja wyjścia determinowana jest przez położenie oporników ustalających wzmocnienie (wykorzystanie R2 lub R3), co dodaje dodatkowej elastyczności podczas implementacji układu w naszym systemie.

    Źródło: https://www.analog.com/en/analog-dialogue/raqs/raq-issue-161.html

    Fajne! Ranking DIY
    Potrafisz napisać podobny artykuł? Wyślij do mnie a otrzymasz kartę SD 64GB.
  • Licencja Pulsonix