Жоғары өнімділікті өлшеу усилительлері: Төмен деңгейлі сигналдарды күшейткенде шу деңгейін азайту

Қазіргі заманғы өнеркәсіптік қолданбалар төмен деңгейлі сигналдарды өңдеу кезінде ерекше дәлдікті талап етеді, сондықтан өлшеу мен басқару жүйелерінде құралдық күшейткіштер — негізгі технология болып табылады. Бұл арнайы күшейткіштер жоғары күшейту коэффициентін қамтамасыз етіп, бірдей режимдегі кедергінің жоғары деңгейін сақтайды, ол қиын жағдайларда дәл сигналды өңдеуді қамтамасыз етеді. Жоғары өнімділікті құралдық күшейткіштер микровольт деңгейіндегі сигналдарды — датчиктерден, трансдюсерлерден және басқа да дәл өлшеу құрылғыларынан — өңдеу кезінде шулы ластануды азайтуға өте жақсы қабілетті.

Инструменталдық күшейткіштердің негізгі артықшылығы — олардың дифференциалдық кіріс конфигурациясы мен жоғары кіріс кедергісінің сипаттамаларында жатыр. Қалыпты күшейту сатыларында қолданылатын операциялық күшейткіштерден айырмашылығы, инструменталдық күшейткіштер кеңістіктік тосқауылдың әсерін тиімді түрде болдырмауға мүмкіндік беретін теңестірілген кірістерді қамтамасыз етеді, сонымен қатар дифференциалдық сигнал компонентін күшейтеді. Бұл архитектура электромагниттік кедергілер, жерлену шығындары және қорек көзінің тербелістері сезімтал өлшеулерді бұрмалауы мүмкін болатын өнеркәсіптік ортада маңызды рөл атқарады.

Негізгі архитектура мен жобалау принциптері

Үш күшейткішті конфигурация

Классикалық үш күшейткіштің топологиясы көптеген жоғары өнімділікті өлшеуіш күшейткіштерінің негізін құрайды. Бұл конфигурация екі кіріс буферлік күшейткішті, одан кейін айырмашылық күшейткіш сатысын қолданады, сондықтан бұл жүйе өте жақсы кіріс сипаттамалары мен дәл күшейту коэффициентін қамтамасыз етеді. Кіріс буферлері өте жоғары кіріс кедергісін (әдетте 10^9 Ом-нан асады) қамтамасыз етеді және сигнал көздеріне тиетін әсерді азайту үшін төмен ығысу тогын талап етеді.

Әрбір кіріс буферлік күшейткіш кері емес конфигурацияда жұмыс істейді, ол дифференциалды кіріс кернеуінің жоғары дәлдіктегі жеке резистор арқылы өтуін қамтамасыз етеді. Бұл орналасу күшейтуді бір сыртқы резистор арқылы орнатуға мүмкіндік береді және қатты температуралық тұрақтылық пен күшейту дәлдігін сақтайды. Кіріс кезеңінен шығатын дифференциалды шығыс дәлдіктің жоғары болуын қамтамасыз ететін айырмашылық күшейткішіне беріледі; бұл қосымша күшейту береді және дифференциалды сигналды аналогты-цифрлық түрлендіргіштерге немесе келесі өңдеу кезеңдеріне сай жеке аяқты шығысқа түрлендіреді.

Дәлдіктің сәйкестік талаптары

Жоғары өнімділікті өлшеу усилительлері өзіндегі көрсетілген сапа деңгейлеріне жету үшін өте жоғары дәлдіктегі компоненттердің сәйкестігін талап етеді. Резисторлардың сәйкестік шектері әдетте ортақ режимдік тосқауылдау коэффициенті мен күшейту дәлдігінің талаптарына байланысты 0,01%–ден 0,1%-ға дейін ауытқиды. Сондай-ақ, температуралық коэффициенттер де жұмыс істеу температуралық диапазонында сапаны сақтау үшін мүмкіндігінше жақын болуы керек; жоғары сапалы құрылғыларда температуралық коэффициенттердің сәйкестігі 1 ppm/°C-тан төмен болады.

Қазіргі заманғы өндірістік технологиялар өндіріс кезінде жұқа пленкалы резисторлық желілерді лазерлік тазалауға мүмкіндік береді, ол өндірушілерге жоғары өнімділікті қолданыстар үшін қажетті дәл сәйкестікті қамтамасыз етуге көмектеседі. Бұл дәлдік деңгейі тікелей ортақ режимдік тосқауылдау коэффициентінің 100 дБ-дан аса жоғары болуына және белгіленген жұмыс істеу диапазонында күшейту дәлдігінің 0,1%-дан жоғары болуына әкеледі.

Дыбыссыздықты қамтамасыз ету әдістері мен стратегиялары

Төменгі шу деңгейіндегі кіріс кезеңінің дизайны

Шуды азайту инструменттік күшейткіштер бастапқы кезеңнің топологиялары мен жартылай өткізгіш технологияларын ұқыпты таңдаудан басталады. Биполярлық өткізгіштік транзисторлардан (БӨТ) жасалған кіріс кезеңдері әдетте ең төменгі кернеу шуын қамтамасыз етеді, әсіресе 10 кГц-тен төмен жиіліктерде, мұндағы шуыл шуы (flicker noise) басымдыққа ие болады. Алайда, JFET пен КМОП кіріс кезеңдері өте төмен кіріс ығысу токтары қажетті қолданбаларда артықшылыққа ие болады: олар кернеу шуын сәл көтеріп, ток шуының әсерін әлдеқайда азайтады.

Кіріс кезеңінің дизайны қосылған датчиктер немесе трансдюсерлердің көз кедергісін де ескеруі керек. Жоғары көз кедергілері төмен ток шуы бар дизайндарға тиімді, ал төмен көз кедергілері кернеу шуының өнімділігін оптимизациялауды талап етеді. Қазіргі заманғы өлшеу усилительлері жиі ығысу дрейфін және шуыл шуын азайту үшін чоппер стабилизациясы немесе авто-нөлдік әдістерді қолданады, бұл уақыт пен температура бойынша өте жоғары тұрақтылыққа ие тұрақты токпен қосылатын қолданбаларды қамтамасыз етеді.

Жиілік жолағы мен сүзгілеу ескертулері

Инструменталдық күшейткіштердегі тиімді дыбыс-өшіру басқаруы үшін жиілік жолағының шектеулеріне және сүзгілеу стратегияларына мұқият назар аудару қажет. Артық жиілік жолағы жоғары жиілікті дыбыс-өшіруді жүйе бойымен таратуға мүмкіндік береді, ол қажетті сигнал тек төмен жиілікті компоненттерден тұратын қолданбаларда сигнал/дыбыс-өшіру қатынасын нашарлатады. қолдану талаптар.

Инструменталдық күшейткіштердегі ішкі компенсация желілері тұрақтылық талаптары мен дыбыс-өшіру көрсеткіштерін теңестіруі қажет. Агрессивті компенсация қосымша дыбыс-өшіру көздерін пайда етуі мүмкін, ал сақтыққа құрылған тәсілдер пайдалы жиілік жолағын шектей алады. Алғашқы әзірлемелерде барлық күшейту деңгейлерінде тұрақтылықты сақтайтын және ішкі түйіндерден туындайтын дыбыс-өшіруді азайтатын күрделі компенсация схемалары қолданылады.

Өнеркәсіптік өлшеу жүйелеріндегі қолданбалар

Көпірлік сенсор интерфейстері

Кернеу өлшеуіш көпірлері, күш датчиктері және қысым трансдюсерлері өнеркәсіптік ортада жоғары өнімділікті өлшеу усилительдерінің негізгі қолданыс аймақтарын құрайды. Бұл датчиктер әдетте бірнеше вольтқа тең көпірдің қоректендіру кернеуінде жұмыс істеген кезде милливольт диапазонындағы дифференциалды шығыс кернеулерін береді. Үлкен ортақ-модалы кернеудің кіші дифференциалды сигналдармен бірге болуы ортақ-модалы тосқауылдау мен күшейту дәлдігіне қатаң талаптар қояды.

Көпір қолданыстары үшін құрылған заманауи өлшеу усилительлері жиі көпірдің толықтырылуына арналған желілер, қоректендіру кернеуіне сілтемелер және бағдарланатын күшейту диапазондары сияқты қосымша мүмкіндіктерді қамтиды. Бұл интеграцияланған мүмкіндіктер дәл өлшеулерге қажетті дәлдікті сақтай отырып, жүйенің жобасын ыңғайландырады. Сондай-ақ, датчиктердің температуралық коэффициенттерін ескере отырып және жұмыс істеу температуралық диапазондары бойынша өлшеу дәлдігін сақтау үшін температураны компенсациялау желілері де интеграциялануы мүмкін.

Биомедициналық және ғылыми өлшеу құралдары

Биомедициналық қолданыстар инструменттік күшейткіштерге өте жоғары талап қояды: шу деңгейі герцтің түбіріне келетін нановольтпен өлшенуі керек, бірақ бір уақытта жоғары кіріс кедергісі мен төмен ығысу токтары сақталуы қажет. Электрокардиограмма күшейткіштері, электрэнцефалограмма жүйелері және басқа да биопотенциалдық өлшеулер инструменттік күшейткіштерге сүйенеді, олар өлшеу нәтижелерін қатты кедергілер – желілік кернеу, бұлшық ет әрекеті және электродтық ақаулар – әсерінде микровольттық деңгейдегі сигналдарды шығаруға мүмкіндік береді.

Ғылыми өлшеу құралдарының қолданыстары жиі одан да қатаң орындалу көрсеткіштерін талап етеді: кейбір қолданыстарда шу деңгейі 1 нВ/√Гц-тен төмен болуы керек, бірақ өлшеу талаптарына сай жеткілікті жиілік жолағы сақталуы қажет. Фотодиодтық күшейткіштер, хроматографиялық детекторлар және дәл аналитикалық құралдар – инструменттік күшейткіштер дәл өлшеулер негізін қалайтын типтік қолданыстар.

Өнімділікті арттыру және таңдау критерийлері

Ортақ режимдегі тосқауылдау сипаттамалары

Жалпы режимдегі тосқауылдау коэффициенті — бұл шуға сезімтал қолданбалар үшін өлшеу уақытындағы күшейткіштерді бағалағанда ең маңызды сипаттамалардың бірі. Бұл параметр күшейткіштің екі кірісіне бірдей түсетін сигналдарды жою қабілетін, сонымен қатар дифференциалды сигнал компонентін күшейту қабілетін сандық түрде сипаттайды. Жоғары өнімділікті өлшеу уақытындағы күшейткіштер тұрақты токта (DC) 100 дБ-тен астам жалпы режимдегі тосқауылдау коэффициентін қамтамасыз етеді, ал көптеген моделдер желілік жиіліктерде 80 дБ-тен астам тосқауылдау қабілетін сақтайды.

Жалпы режимдегі тосқауылдаудың жиілікке тәуелділігін де ескеру қажет, себебі көпшілік өлшеу уақытындағы күшейткіштер жоғары жиіліктерде өз сапасын төмендетеді. Айнымалы токпен коплинг немесе жоғары жиілікті компоненттері бар қолданбалар үшін қызығушылық танытатын сигнал жолағы бойынша жеткілікті сапа қамтамасыз етілуі үшін жалпы режимдегі тосқауылдау мен жиілік арасындағы сәйкестікті мұқият бағалау қажет.

Күшейту коэффициентінің дәлдігі мен тұрақтылығы

Дәл өлшеу қолданбаларында құралдардың күшейткіштерінен ерекше күшейту дәлдігі мен ұзақ мерзімді тұрақтылық талап етіледі. Жоғары өнімділікті құрылғылар үшін бастапқы күшейту дәлдігінің сипаттамалары әдетте 0,1%–ден 0,01%–ге дейін ауытқиды, ал күшейту температуралық коэффициенттері миллиондаған бөліктерде градус Цельсийге қатысты көрсетілуі мүмкін. Бұл сипаттамалар өлшеу белгісіздігі мен жүйенің калибрлеу талаптарына тікелей әсер етеді.

Уақыт өте келе күшейтудің ауытқуы — бұл қайта калибрлеу кезеңдері іске асырылмайтын немесе қымбатқа түсетін қолданбаларда ерекше маңызды фактор болып табылады. Жоғары сапалы құралдардың күшейткіштері ұзақ мерзімді ауытқуды азайтатын дизайн ерекшеліктері мен өндірістік процестерді қамтиды, олар күшейткіштердің айлармен емес, жылдармен өлшенетін мерзімдерде тұрақты жұмыс істеуін қамтамасыз етеді.

Батылау мүмкіндіктері мен интеграция нұсқалары

Сандық калибрлеу және түзету

Қазіргі заманғы өлшеу күшейткіштері барынша дәлдікке қол жеткізу үшін таза аналогтық әдістерден асып түсетін нәтижелер беретін цифрлық калибрлеу мүмкіндіктерін барынша кеңінен қолданады. Сандық нөлдік ығысу дұрыстауы, күшейту коэффициентін калибрлеу және температураны компенсациялау алгоритмдері кеңірек температуралық ауқымдар мен ұзақ қызмет көрсету мерзімдері бойынша дәлдік сипаттамаларын сақтау үшін қолданылады. Кейбір құрылғылар калибрлеу коэффициенттерін сақтау үшін тұрақты есте сақтау құрылғысын (non-volatile memory) қамтиды, ол қуатты қайта іске қосқаннан кейін де тұрақты жұмыс істеуді қамтамасыз етеді.

Кейбір өлшеу күшейткіштеріндегі интегралды аналогтық-цифрлық түрлендіргіштер өнімдер цифрлық шығыс пішімдерімен толық сигналдық тізбек шешімдерін ұсынады. Бұл интегралды шешімдер цифрлық сүзгілеу, сызықтықтыққа келтіру және температураны компенсациялау сияқты алдыңғы қатарлы цифрлық сигналды өңдеу әдістерін қамтиды, сонымен қатар арнайы өлшеу күшейткіштерінің кіріс кезеңдерінің аналогтық жұмыс сапасының артықшылықтарын сақтайды.

Қоректендіру көзі және жұмыс істеу ауқымына қойылатын талаптар

Жоғары өнімділікті өлшеу күшейткіштері өзінің шу және дәлдік сипаттамаларын сақтай отырып, белгіленген қоректендіру кернеу ауқымы бойынша сенімді жұмыс істеуі тиіс. Бір қоректендіру көзінде жұмыс істеу көптеген қолданбаларда жүйенің жобасын ықпал етеді, бірақ екі қоректендіру көзінде жұмыс істеу әдетте ең жоғары динамикалық ауқым мен ең төмен шу деңгейін талап ететін қолданбалар үшін жоғарылауылған сапа көрсетеді.

Қоректендіру көзі ретінде батарея қолданылатын және тасымалды өлшеу құрылғыларында қуаттың тұтынуы барынша маңызды болып табылады. Төмен қуатты өлшеу күшейткіштері шу төмендету үшін шоппер стабилизациясы мен қызмет кезеңдерінің циклдық қолданылуы сияқты жобалау әдістерін қолданады, бірақ олар өзінің сапа көрсеткіштерін сақтайды. Кейбір құрылғылар бірнеше қуат режимдерін ұсынады, олар қолданба талаптарына сәйкес оптимизациялауға мүмкіндік береді.

ЖИҚ (Жиі қойылатын сұрақтар)

Төмен деңгейлі сигналдарды өңдеу үшін өлшеу күшейткіштері операциялық күшейткіштерге қарағанда неге жоғарылауылған?

Инструменталдық күшейткіштер өте жоғары кіріс кедергісі мен өте жақсы ортақ режимдегі тосқауылдау қабілеті бар табиғи түрде теңестірілген дифференциалды кірістерді қамтамасыз етеді. Операциялық күшейткіштердің конфигурацияларынан айырмашылығы, инструменталдық күшейткіштер бір сыртқы резистор арқылы дәл күшейту бақылауын қамтамасыз етіп, барлық күшейту орнатулары бойынша осы сипаттамаларды сақтайды. Олардың арнайы архитектурасы микровольт деңгейіндегі өлшеулер үшін шу әсерлерін азайтады және сигналдың бүтіндігін максималдайды.

Шоппер-стабилизацияланған инструменталдық күшейткіштер шу мен ығысу дрейфін қалай азайтады

Чопперлық стабилизация әдістері күшейткіш арқылы сигналдың бағытын периодты түрде кері өзгертеді және шығыс сигналын синхронды демодуляциялайды; бұл әдіс тұрақты токтық ығысу мен төмен жиілікті шуын жоғары жиілікті компоненттерге түрлендіреді, олар содан кейін фильтрленіп шығарылады. Бұл тәсіл шуын әлдеқайда азайтады және температура мен уақыт өзгерген сайын ығысу кернеуінің дрейфін толығымен жояды, нәтижесінде ұзақ мерзімді тұрақтылығы өте жоғары болатын тұрақты токпен байланысқан өлшеулерді қамтамасыз етеді.

Құралдар күшейткіштері үшін шуға сезімтал қолданбаларда оптималды күшейту коэффициентін анықтайтын факторлар қандай?

Оңтайлы күшейту орнатуы кейінгі шу көздерінен жоғары болатын кішкентай сигналдарды күшейту қажеттілігін жалпы режимдегі кернеулер немесе араласу нәтижесінде сыйымдылыққа түсуін болдырмау арасында теңдестіруі керек. Жоғары күшейту коэффициенттері сигналдың шуға қатынасын жақсартады, бірақ динамикалық диапазонды төмендетуі мүмкін және жалпы режимдегі сигналдарға сезімталдықты арттыруы мүмкін. Таңдау сигнал деңгейлеріне, көз кедергісіне, кейінгі күшейту сатыларына және әртүрлі күшейту орнатуларында өлшеу уақытындағы уақытша күшейткіштің нақты шу сипаттамаларына байланысты.

Көз кедергісі өлшеу уақытындағы күшейткіш қолданыстарындағы шу сипаттамаларына қалай әсер етеді?

Көзінің импедансы құрал-сайманның токтық шу сипаттамалары мен көз кедергісінің әрекеттесуі арқылы жалпы шу үлесіне тікелей әсер етеді. Жоғары көз импеданстары токтық шу үлесін күшейтеді, сондықтан кіріс бойынша төмен токтың ығысуы бар құрылымдарды таңдау тиімдірек болады. Төмен көз импеданстары негізінен жылулық шуды туғызады, сондықтан кернеу шусын оптимизациялау маңыздырақ болады. Дұрыс импеданстық сәйкестендіру мен күшейткішті таңдау белгілі бір көз шарттары үшін жалпы шуды азайтады.