Przegląd scalonych wzmacniaczy pomiarowych

Przegląd scalonych wzmacniaczy pomiarowych
Pobierz PDF Download icon
Konstrukcja i zasada działania wzmacniaczy pomiarowych jest od strony teoretycznej banalnie prosta. W przypadku tych układów po raz kolejny potwierdza się jednak stara zasada, że od teorii do praktyki droga jest bardzo daleka. Wyprodukowanie scalonego wzmacniacza pomiarowego o dobrych parametrach musi być okupione wieloma latami żmudnej pracy ośrodków badawczorozwojowych. Być może z tego względu nawet niektórzy wielcy nie mają w ofertach tej grupy elementów.
57ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 1/2010 Przegląd scalonych wzmacniaczy pomiarowych Tematem przewodnim tego numeru Elektroniki Praktycznej jest elektronika w  medycynie, a  ta dziedzina wszystkim konstruktorom bezapelacyjnie kojarzy się ze wzmacniaczami operacyjnymi, różnicowymi i pomiarowymi (instrumentalnymi). O teorii ich działania można znaleźć bardzo dużo pu- blikacji zarówno w postaci drukowanej, jak i elektronicznej (internetowej). Jest to wiedza bardzo obszerna i  z  oczywistych powodów nie będziemy wątku teoretycznego nadmier- nie rozwijać w  tym artykule. Jako lekturę wprowadzającą warto potraktować artykuły Jacka Jakubowskiego, Andrzeja Dobrowol- skiego i  Piotra Komura pt. ?Wzmacniacze pomiarowe w teorii i w praktyce?, które pu- blikowaliśmy w EP6 i 7/2007, a także arty- kuł Jacka Bogusza ?Wzmacniacze pomiarowe w  medycynie? zamieszczony w  tym nume- rze EP. Poniżej przedstawimy skrócone oferty scalonych wzmacniaczy pomiarowych kilku najbardziej liczących się producentów. Podstawowe parametry wzmacniaczy pomiarowych Aby móc w  miarę obiektywnie porównać wyroby poszczególnych producentów konieczne jest zapoznanie się z za- stosowaniami tego typu układów oraz przypo- mnienie ich najważniej- szych parametrów. Z  uwagi na swoje cechy, wzmacniacze pomiarowe służą do pomiarów bardzo ma- łych sygnałów wystę- pujących na tle silnych Przegląd scalonych wzmacniaczy pomiarowych Konstrukcja i  zasada działania wzmacniaczy pomiarowych jest od strony teoretycznej banalnie prosta. W  przypadku tych układów po raz kolejny potwierdza się jednak stara zasada, że od teorii do praktyki droga jest bardzo daleka. Wyprodukowanie scalonego wzmacniacza pomiarowego o  dobrych parametrach musi być okupione wieloma latami żmudnej pracy ośrodków badawczo- rozwojowych. Być może z  tego względu nawet niektórzy ?wielcy? nie mają w  ofertach tej grupy elementów. zakłóceń i szumów. Często różnicowy sygnał użytkowy jest dużo mniejszy od sumacyj- nych sygnałów zakłócających. Typowe zasto- sowania to wzmocnienie sygnałów z wszel- kiego rodzaju czujników różnych wielkości nieelektrycznych najczęściej pracujących w układzie mostkowym. Są to np.: czujniki ciśnienia, siły (tensometry), temperatury itp. Wzmacniacze pomiarowe są nieodzowne w  aparaturze medycznej, w  urządzeniach mierzących bardzo małe różnice potencja- łów na ciele człowieka ? EKG, EEG, ale są również stosowane nawet w  sprzęcie aku- stycznym, gdzie sprawdzają się idealnie jako przedwzmacniacze mikrofonowe skutecznie tłumiąc przydźwięki i  inne zakłócenia in- dukowane na kablach sygnałowych. Ważną, można nawet powiedzieć fundamentalną ce- chą wzmacniaczy pomiarowych jest możli- wość doprowadzania do ich wejść sygnałów posiadających dużą składową stałą, która jako sygnał sumacyjny będzie całkowicie wytłumiona na wyjściu. Składowa taka bę- dzie zawsze występowała w czujnikach pra- cujących w układzie mostkowym zasilanych napięciem stałym. Na rys. 1 przedstawiono typową konfigurację wzmacniacza pomiaro- wego zbudowanego przy użyciu 3 wzmac- niaczy operacyjnych. Jak widać mierzone napięcie niezrównoważenia mostka równe 10  mV występuje na tle dużej składowej stałej rzędu 8 V. Napięcie na niesymetrycz- nym wyjściu prezentowanego wzmacniacza pomiarowego będzie równe iloczynowi wej- ściowego napięcia różnicowego i  wzmoc- nienia układu, które w  tym przypadku jest równe 1001 V/V. Najważniejsze parametry techniczne, na które trzeba zwracać uwagę przeglądając dane katalogowe wzmacniaczy pomiaro- wych to: ? Współczynnik tłumienia sygnału suma- cyjnego (CMRR ? Common Mode Rejec- tion Ratio) - parametr określający stosu- nek wzmocnienia sygnału różnicowego do wzmocnienia sygnału wspólnego (su- macyjnego). Parametr ten jest podawany w decybelach i w spotykanych na rynku układach osiąga wartości od 60 nawet do ponad 120 dB. Warto pamiętać o tym, że współczynnik CMRR maleje w  funkcji częstotliwości. ? Napięcie niezrównoważenia, czyli takie wejściowe napięcie różnicowe, które- mu odpowiada zerowe napięcie wyj- ściowe. Pozornie przeczy to zasadzie działania wzmacniacza, wszak jakiekol- wiek napięcie różne od zera na wejściu wzmacniacza powinno po wzmocnieniu wytwarzać odpowiednio duże napięcie rys. 1. typowa konfiguracja wzmacniacza pomiarowego Wybór konstruktora TEMAT NUMERU 58 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 1/2010 Wybór konstruktora wyjściowe. Pamiętajmy jednak, że mamy do czynienia ze wzmacniaczami rzeczy- wistymi i  teorię musimy odsunąć tro- szeczkę na bok. ? Dryft napięcia niezrównoważenia, czyli zmiany napięcia niezrównoważenia wy- wołane np. zmianami temperatury. Jest to dość istotny parametr wzmacniacza, gdyż w żadnej aplikacji nie da się unik- nąć wpływu temperatury. O  ile można sobie wyobrazić stosunkowo proste me- tody kompensacji napięcia niezrówno- ważenia, o  tyle z  kompensacją dryftu temperaturowego tego napięcia nie jest już tak łatwo. ? Wzmocnienie. Wzmocnienie wzmacnia- czy pomiarowych może osiągać wartości od 1 V/V do ponad 10000 V/V. W najczę- ściej spotykanych konstrukcjach wzmac- niaczy pomiarowych jest to parametr ustawiany za pomocą jednego rezystora, najczęściej zewnętrznego. Jak widać na rys. 1 i na rys. 2 rezystor Rg pełniący tę funkcję jest całkowicie odizolowany od wejść wzmacniacza. Pozostałe rezystory mają również wpływ na wzmocnienie. Istotnym zagadnieniem (np. dla zapew- nienia dużego CMRR) jest uzyskanie jak największej symetrii układu. Z  tego względu rezystory wewnętrzne są na ogół trymowane laserowo na etapie produkcji. Aby uniknąć niedoskonało- ści rezystorów zewnętrznych stosuje się również rozwiąza- nia, w których w układzie sca- lonym wykonano specjalnie zaprojektowaną matrycę rezy- storów trymowanych laserowo, włączanych lub wyłączanych poprzez wykonanie odpowied- nich połączeń końcówek usta- lających wzmocnienie. Przy- kładem takiego wzmacniacza pomiarowego jest układ AD624 firmy Analog Devices (rys.  3), w  którym wzmocnienie może być ustawione na 1, 100, 200, 500 lub 1000 V/V. ? Impedancja wejściowa. Impedancja wejściowa idealne- go wzmacniacza powinna być nieskoń- czenie wielka. W  układach rzeczywi- stych będzie ona oczywiście ograniczo- na. Typowe wartości z jakimi można się najczęściej spotkać w praktyce są rzędu 1...kilku GV. ? Impedancja wyjściowa. Wzmacniacz pomiarowy jest tylko fragmentem więk- szego układu. Najczęściej są do niego dołączane kolejne bloki funkcjonalne, takie jak filtry, przetworniki A/C itp. Aby wzmacniacz mógł prawidłowo z  nimi współpracować, jego impedancja wyj- ściowa powinna być jak najmniejsza. W  praktyce są to pojedyncze miliomy, a nawet ułamki miliomów. ? Szumy. To niezwykle ważny parametr, jeśli weźmiemy pod uwagę to, że wzmac- niacz pomiarowy pracuje z bardzo mały- mi napięciami wejściowymi (różnico- wymi). Szum własny nie powinien ma- skować sygnału użytkowego. Parametr określający poziom szumu wejściowego dobrego wzmacniacza pomiarowego nie powinien być gorszy niż 10  V/?(Hz) dla 1 kHz w odniesieniu do wejścia. ? Pasmo. W większości zastosowań wzmac- niacze pomiarowe pracują z  sygnałami stałymi lub wolnozmiennymi. Nie jest to jednak reguła ? przykładem mogą być wspomniane już przedwzmacniacze au- dio. Pamiętajmy również, że z  pozoru w o l n o z m i e n n y przebieg może mieć szerokie widmo, ze wzglę- du na gwałtowne zmiany poziomu, jakie mogą w  nim zachodzić. Należy to mieć na uwa- dze przy projekto- waniu urządzenia i  dobieraniu pod- zespołów. Pasmo silnie zależy od wzmocnienia z  ja- kim pracuje dany wzmacniacz pomiaro- wy. Nachylenie charakterystyki jest naj- częściej równe 20 dB/dek. Przykładowo, pasmo wzmacniacza MAX4209 firmy Maxim jest równe 75 kHz dla wzmocnie- nia 10 V/V, 7,5 kHz dla 100 V/V i 750 Hz dla 1000 V/V. Na ogół również pasmo bę- dzie zależało od mocy pobieranej przez układ. Wzmacniacze o małej mocy będą niestety miały węższe pasmo. Tendencja do obniżania napięć zasila- jących skutkuje dość znacznym ogranicze- niem zakresu napięć roboczych. Zauważ- my, że w aplikacjach zasilanych napięciem 3,3 V zakres ten stanowi 66% zakresu, jaki jest dostępny w  aplikacjach zasilanych na- pięciem 5  V, a  przecież spotykane są coraz częściej urządzenia zasilane jeszcze niższym napięciem. Szumy niestety nie zmniejszają się proporcjonalnie do wartości napięcia za- silającego, skutkiem czego może być zmniej- szanie stosunku sygnału do szumu wraz ze zmniejszaniem napięcia zasilającego. Z tego względu konstruktorzy dążą do jak najbar- dziej optymalnego wykorzystania napięcia zasilającego i  z  tego względu ważną cechą wzmacniaczy jest napięciowy zakres pracy wejść i  wyjść. Ideałem byłoby, gdyby za- równo napięcie wejściowe, jak i  wyjściowe mogło osiągać wartości od +Uz do ?Uz (Uz napięcie zasilające, odpowiednio dodatnie i ujemne). Jest to szczególnie istotne w ukła- dach z wyjściem asymetrycznym zasilanych pojedynczym napięciem, w  których zależy nam na tym, by móc uzyskać zerowe napię- cie wyjściowe. Zdolność taką mają wzmac- niacze typu Rail-to-Rail pracujące niemal w pełnym zakresie napięć zasilających. Waż- ne jest, żeby cecha ta dotyczyła zarówno wej- ścia, jak i wyjścia. Przegląd wzmacniaczy różnych producentów Wzmacniacze pomiarowe, mimo pozor- nej prostoty budowy, są układami, których wyprodukowanie w postaci scalonej nie jest łatwe, przynajmniej przy akceptowalnych dla użytkowników relacji ceny do parame- trów technicznych. Z tego względu dawniej dość często był budowany ?na piechotę? w oparciu o zwykłe wzmacniacze operacyj- ne. Scalone wzmacniacze pomiarowe nadal są produkowane przez stosunkowo niewiel- ką liczbę producentów, znacznie częściej można znaleźć w  ofertach grupę ?wzmac- niacze różnicowe?. Nie można jednak po- stawić równości pomiędzy tymi typami wzmacniaczy. Biorąc pod uwagę rys historyczny nie można nie wspomnieć o firmie Burr-Brown, która przed laty była jednym z niewielu li- derów w tym zakresie produkcji. Co więcej, była to firma, która produkowała niemal wyłącznie wzmacniacze operacyjne o  bar- dzo wysokich parametrach, wzmacniacze Rys. 2. Inna konfiguracja wzmacniacza pomiarowego, w której wzmocnienie jest ustalane jednym rezystorem Rys. 3. Schemat wewnętrzny układu AD624 firmy Analog Devices 59ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 1/2010 Przegląd scalonych wzmacniaczy pomiarowych pomiarowe, wzmacniacze dedykowane do współpracy z wszelkiego rodzaju sensorami, wzmacniacze z izolowanymi stopniami wej- ściowymi. Firma ta została wchłonięta przez innego znanego potentata ? Texas Instru- ments, który dzięki przejęciu udziałów B-B stał się jednym z wiodących światowych pro- ducentów scalonych układów analogowych. W ofercie TI bez trudu można odnaleźć gru- pę instrumentation amplifier, w której zasto- sowano podział na układy z  pojedynczym i  podwójnym zasilaniem. Ze względu na stopień skomplikowania aplikacji konstruk- torzy będą zapewne częściej sięgać po ukła- dy zasilane jednym napięciem, ale trzeba pa- miętać, że rozwiązania takie będą miały na ogół gorsze parametry w porównaniu z ukła- dami zasilanymi dwoma napięciami. Z grupy układów zasilanych dwoma na- pięciami warto wymienić sygnowane jeszcze znakiem B-B układy INA128 i INA129. Są to typowe wzmacniacze pomiarowe pracują- ce w  konfiguracji z  trzema wzmacniaczami operacyjnymi, charakteryzujące się bardzo szerokim zakresem regulacji wzmocnienia od 1 do 10000 V/V i wysokim współczynni- kiem CMR, którego wartość dla wzmocnie- nia 1000 V/V jest nie mniejsza niż 120 dB. Wzmocnienie jest ustalane jednym, ze- wnętrznym rezystorem. W  układach zasto- sowano specjalne stopnie wejściowe zabez- pieczające przed uszkodzeniami od napięć nawet do ?40 V. Układy pobierają z zasilania prąd o natężeniu 700 mA. Do współpracy z  czujnikami mostko- wymi doskonale nadaje się zasilany jednym lub dwoma napięciami (+2,7...+36  V lub Rys. 4. Schemat wewnętrzny układu INA125 firmy Texas Instruments Rys. 5. Schemat blokowy układu PGA280 firmy Texas Instruments Rys. 6. Schemat wewnętrzny układu AD621 firmy Analog Devices ?1,35...?18 V) układ INA 125. W jego strukturze zawarto precyzyjne źródło napięcia referencyjnego, które może być wykorzystane do zasilania most- ka. Na poszczególnych wyprowadze- niach układu napięcie to ma wartości 10, 5 lub 2,5 V (rys. 4). Wzmocnienie jest regulowane jednym rezystorem zewnętrznym w  zakresie od 4 do 10000  V/V. Współczynnik CMR dla wzmocnienia 500 jest nie gorszy niż 100 dB. Jednym z najnowszych opracowań TI jest układ PGA280. Jest to wzmac- niacz pomiarowy z cyfrową regulacją wzmocnienia w  zakresie od 1/8  V/V (tłumienie) do 128  V/V. Jego niezbyt duże jak na wzmacniacze pomiarowe wzmocnienie jest wynagrodzone re- welacyjnym współczynnikiem CMRR, który osiąga wartość większą niż 130 dB. Dzięki zastosowanemu multi- plekserowi wejściowemu wzmacniacz może współpracować z dwoma nieza- leżnymi czujnikami dołączanymi do wejść symetrycznych. Układ jest stero- wany poleceniami przesyłanymi inter- fejsem SPI. Posiada interesującą funk- cjonalność, jaką jest możliwość diagnozo- wania stanu wejść pod kątem zwarć i  przerw. Schemat blokowy ukła- du PGA280 przedsta- wiono na rys. 5. Nie mniej od Bur- r-Browna, czy obec- nie Texas Instruments znanym producentem wzmacniaczy pomia- rowych jest Analog Device, obecnie niewąt- pliwie jeden z  liderów produkcji tej grupy ele- mentów. Początki wy- twarzania wzmacnia- czy pomiarowych AD sięgają roku 1971, kiedy to ukazał się pierw- szy taki układ scalony z  charakterystycznym trójkącikiem obok ozna- czenia AD520. Jego na- stępcami była rodzina układów AD620, rozwi- jana do dzisiaj i chętnie wykorzystywana przez konstruktorów, przez wiele lat stanowiąca standard przemysło- wy. Szlagierem stał się układ AD8221 charak- teryzujący się wzmoc- nieniem 1...1000 V/V ustawianym jednym ze- wnętrznym rezystorem, wysokim współczynnikiem CMRR powyżej 90 dB (DC), szerokim pasmem 825 kHz (dla spadku 3 dB i wzmocnienia 1 V/V) oraz ma- łymi szumami 8 nV/?(Hz). Wzmacniacze po- miarowe AD można podzielić na kilka grup. W  grupie układów o  niskim koszcie moż- na wyróżnić AD622, który jest oszczędną wersją AD620. Z  kolei wśród precyzyjnych wzmacniaczy pomiarowych z  programowa- nym wzmocnieniem realizowanym przez odpowiednie połączenia wyprowadzeń można wyróżnić układ AD621. Dzięki wej- ściu REF można w  nim regulować poziom referencyjny, czyli ustalać wartość napięcia stałego odpowiadającego zerowemu napię- ciu różnicowemu na wejściu. W ten sposób prostą metodą realizuje się regulację offsetu, co jest konieczne w niektórych aplikacjach. Schemat budowy układu AD621 przedsta- wiono na rys.  6. Z  regulacją offsetu wiąże się grupa układów z funkcją auto-zerowania, wśród nich jest np. AD8230. Dzięki tej wła- sności możliwe jest uzyskanie kompensacji dryftu temperaturowego do wartości nV/o C. Na uwagę zasługuje również wzmacniacz pomiarowy AD8225 o ustalonym wzmocnie- niu równym 5 V/V, w którym wejścia wzmac- niaczy operacyjnych są buforowane tranzy- storami NPN. Dzięki takiemu rozwiązaniu 60 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 1/2010 Wybór konstruktora znacznie ograniczono prądy wejściowe do wartości rzędu zaledwie 100  pA. W  rezul- tacie został drastycznie zminimalizowany prąd szumów, który w układzie AD8225 jest równy tylko 50 fA/?(Hz) (sic!). W  ofercie Analog Devices znajdują się również wzmacniacze pomiarowe optymali- zowane np. pod kątem zastosowań z zasila- niem pojedynczym napięciem (np. AD623), minimalizacji poboru mocy przy pojedyn- czym napięciu zasilającym (np. AD627), a  także układy z  cyfrowym ustawianiem wzmocnienia, np. AD8250 lub AD8251. Te ostatnie są dedykowane szczególnie do za- stosowań w  sprzęcie medycznym. Przyjęto w  nich rzadko spotykany równoległy inter- fejs cyfrowy, który umożliwia 4-stopniową regulację wzmocnienia (1, 2, 5, 10 V/V). Skła- da się on z dwóch linii słowa danych i linii strobującej zapis w wewnętrznym rejestrze. Kolejnym producentem scalonych wzmacniaczy pomiarowych jest Intersil Corporation. Z oferty tej firmy można pole- cić układ ISL28271 odznaczający się bardzo dobrą liniowością. Typowa wartość błędu wzmocnienia jest równa zaledwie 0,081%, a CMRR jest równy 100 dB. Jest to podwójny wzmacniacz przystosowany do zasilania jed- nym napięciem z zakresu 2,4...5,5 V spełnia- jący warunki Rail-to-Rail zarówno od strony wejścia, jak i wyjścia. Przy obciążeniu wyj- ścia rezystancją 100 kV wyjściowe tranzysto- ry PMOS i NMOS są zdolne do podciągnięcia wyjścia odpowiednio w górę i w dół poniżej 4  mV od dodatniego napięcia zasilającego i 4 mV powyżej ujemnego napięcia zasilają- cego lub masy. Wyjście ma wewnętrzne ogra- niczenie prądowe do wartości 31 mA. Każdy z dwóch wzmacniaczy może być wyłączany przypisanym mu wejściem sterującym. Je- śli zostanie na nie podane napięcie wyższe niż 2  V, wyjście wzmacniacza przechodzi w stan wysokiej impedancji. Układ odznacza się bardzo dobrymi parametrami dla napięć stałych i zmiennych, jest wewnętrznie skom- pensowany dla wzmocnienia równego lub większego niż 10  V/V. Prąd pobierany w  nor- malnym trybie pracy jest równy 120  mA, ale po wyłączeniu obu wzmac- niaczy maleje do warto- ści 4  mA. Wzmocnienie jest ustawiane dwoma zewnętrznymi rezystora- mi. Poglądowy schemat jednego kanału układu ISL2821 przedstawiono na rys. 7. Nie często spoty- kanym rozwiązaniem jest integracja w  jednej obudowie wzmacniacza pomiarowego z  precy- zyjnym wzmacniaczem operacyjnym low-power. Taki pomysł wy- daje się bardzo trafny, gdyż w  większości przypadków wzmacniacz pomiarowy i  tak współpracuje z  jakimś wzmacniaczem ope- racyjnym. Układ wykonany według powyż- szej koncepcji ? ISL28274 ? ma w  swojej ofercie Intersil Corporation. Jak większość wzmacniaczy produkowanych przez tę fir- mę, ma on własność Rail-to-Rail dla wejścia i dla wyjścia. W układzie ISL28274 znajdują się dwa komplety wzmacniaczy. Jest jesz- cze wersja poczwórna oznaczona symbolem ISL28474 (rys. 8). Do producentów wzmacniaczy ope- racyjnych dołączył również Linear Tech- nology. Konstrukto- rom są dobrze znane również jego inne układy analogowe odznaczające się wy- soką jakością. Na razie w ofercie znajduje się jeden przedstawiciel wzmacniaczy pomia- rowych. Jest to układ LTC2053, ale trzeba przyznać, że firma od razu ustawiła wyso- ko poprzeczkę, gdyż jest to wzmacniacz o  dobrych parame- trach. Na dodatek jego konstrukcja odbiega od do- brze znanych standardów. Może nieco dziwić, że bardziej przypo- mina on klasyczny wzmacniacz operacyjny w układzie z wejściem nieodwracającym, niż którąś z  typowych wersji wzmacniacza pomiarowego. Pewną pośrednio związaną z  tym niewygodą jest regulacja wzmocnienia realizowa- na za pomocą dwóch rezystorów, ale jest to zrekompensowane taki- mi parametrami jak: nieliniowość ? typowo 3 ppm, błąd wzmocnienia ? 0,001%, CMRR dla wzmocnienia 1  V/V równy 113  dB dla napięcia zasilającego 3 V i 116 dB dla 5 V. Parametr ten ulega kolejnej poprawie przy zasilaniu dwoma napięciami i  przy napię- ciu zasilającym równym ?5  V CMRR jest równy 118 dB. Wejściowe napięcie szumów ma wartość 2,5 mVpp . Wzmacniacz może być wprowadzany w stan uśpienia, w którym po- biera prąd o natężeniu 10 mA. W normalnej pracy jest to ok. 0,85 mA. Schemat blokowy układu LTC2053 przedstawiono na rys.  9. Jak widać w  strukturze zaimplementowano dwa przełączane kondensatory, które tłu- maczą tak znaczne uproszczenie budowy wzmacniacza. Kondensatory te są mianowi- cie wykorzystywane do próbkowania różni- cowego sygnału wejściowego, tworzą układ próbkująco-pamiętający. Do napięcia na kondensatorze pamiętającym CH dodawana jest składowa stała podawana za pośrednic- twem wyprowadzenia REF. Uzyskano w ten sposób możliwość wzmacniania w klasycz- nej konfiguracji wzmacniacza nieodwracają- cego, ale z zerowym dryftem napięciowym. Układ wymaga jednak przebiegu zegarowe- go taktującego przełączeniem pojemności CS i CH . Jest w związku z tym produkowany w  dwóch wersjach: LTC2053 i  LTC2053- SYNC. W  pierwszej wersji cały blok takto- wania znajduje się w  strukturze i  nie jest Rys. 7. Poglądowy schemat jednego kanału układu ISL2821 firmy Intersil Corporation Rys. 8. Schemat wewnętrzny układów ISL28274 i ISL28474 firmy Intersil Corporation Rys. 9. Schemat blokowy układu LTC2053 firmy Linear Technology 61ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 1/2010 Przegląd scalonych wzmacniaczy pomiarowych wymagane podawanie żadnego zewnętrz- nego przebiegu. W wersji z suffixem SYNC przebieg taki musi być podany z zewnątrz, co jest jednak z różnych względów czasami bardziej korzystne. Poszukując producentów wzmacniaczy pomiarowych dotarliśmy do Illinois, gdzie mieści się biuro konstrukcyjne kolejnego giganta, jakim jest Maxim Integrated Pro- ducts. Maxim oferuje wzmacniacze pomia- rowe w  kilku konfiguracjach. W  klasycznej ? z  trzema wzmacniaczami operacyjnymi ? dostępne są układy MAX194...197. Mają one zbliżone do siebie parametry, przy czym w układach przyjęto stałe wzmocnie- nie równe: 1 (MAX195), 10 (MAX196) i 100 (MAX197). W układzie MAX194 wzmocnie- nie można regulować w  zakresie od 1 do 10000, i tak jak w podobnych rozwiązaniach wystarczy w tym celu dobrać jeden rezystor. Układy są zasilane pojedynczym napięciem 2,5...7,5 V i mają wejścia i wyjścia typu Rail- to-Rail. Typową aplikację z mostkiem tenso- metrycznym przedstawiono na rys. 10. W  urządzeniach wymagających pracy z dużymi częstotliwościami z powodzeniem można stosować wzmacniacze MAX4461. Przykładowo pasmo 3-decybelowe ukła- du MAX4461T jest równe 250  kHz przy wzmocnieniu 10  V/V. Tak dobrą wartość tego parametru uzyskano dzięki zastosowa- niu opracowanego przez MAXIM-a  układu pośredniego sprzężenia prądowego. Przy okazji osiągnięto również bardzo dobrą war- tość współczynnika CMRR, który jest rów- ny 120  dB. Jeszcze lepszą wartość CMRR, bo aż 135 dB uzyskano we wzmacniaczach MAX4208 i MAX4209. Zastosowano w nich opracowaną przez MAXIM-a i chronioną pa- tentami specjalną technikę korygującą offset napięcia wejściowego oraz jego dryft zarów- no temperaturowy, jak i czasowy. Uzyskano w  ten sposób offset napięciowy na pozio- mie 20  mV. Wejście napięcia referencyj- nego ustalającego napięcie wejściowe dla zerowego napię- cia wyjściowego jest wewnętrznie bufo- rowane, co pozwala dołączać je bezpośrednio np. do rezystancyj- nego dzielnika napięciowego. Wzmacniacze charakteryzują się szerokim pasmem pracy 750 kHz przy wzmocnieniu 1 V/V. Są produ- kowane w 8-nóżkowych ultraminiaturowych obudowach typu mMAX. Dostawcą wzmacniaczy pomiarowych jest również firma Micro Networks, która wyodrębniła 4 grupy wzmacniaczy pomiaro- wych. Są to układy ze stopniem Track-Hold przeznaczone dla 12-bitowych aplikacji, klasyczne wzmacniacze pomiarowe, wzmac- niacze z  programowalnym wzmocnieniem i  niskoszumne wzmacniacze pomiarowe. Oferta jest jednak stosun- kowo mało atrakcyjna ze względu dostępność układów prawie wyłącz- nie w  przestarzałych typach obudów (DIP) i braku deklaracji RoHS, co w  kontekście tematu przewodniego niniej- szego numeru EP ma mniejsze znaczenie, ale w  ogólnym przypadku może stanowić problem. Konieczność stosowania dwóch napięć zasilają- cych również może być czasami niewygodna. W  ofercie wyróżnia się precyzyjny, niskoszumny wzmacniacz po- miarowy z wejściami na tranzystorach FET, produkowany w  trzech odmianach róż- niących się wzmocnieniem. I  tak MN2310 ma wzmocnienie 30  dB (32  V/V), MN2311 ? 40  dB (100  V/V), a  i  MN2312 ? 50  dB (316  V/V). Wzmocnienie jest ustalane fa- brycznie i nie można go zmieniać. Układ jest produkowany w  44-nóżkowej ceramicznej obudowie CLCC. National Semiconductor to kolejna firma z  wielkimi tradycjami. Na liście produko- wanych układów znajdziemy wzmacniacze kwalifikowane przez NS do grupy Variable Rys. 10. Typowa aplikacja układu MAX197 z mostkiem tensome- trycznym firmy Maxim Integrated Products Rys. 11. Schemat funkcjonalny wzmacniacza LMH6503 firmy National Semiconductor R E K L A M A 62 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 1/2010 Wybór konstruktora Rys. 12. Przykładowa aplikacja medyczna z zastosowaniem układów TI Gain Amplifier, czyli wzmacniaczy z  regu- lowanym wzmocnieniem. Nie są to układy Low-power, typowe prądy pobierane z zasila- nia wynoszą co najmniej kilkanaście miliam- perów. Układy mogą za to pracować w bar- dzo szerokim paśmie częstotliwości i wyróż- niają się bardzo dobrymi parametrami Slew Rate, co oznacza, że są zdolne do przenosze- nia sygnałów o  bardzo stromych zboczach. Na przykład charakterystyka wzmacniacza LMH6503 wykazuje 3-decybelowy spadek w  okolicach 135  MHz przy wzmocnieniu 10  V/V, a  Slew Rate jest równy 1800  V/ms. Parametry szumowe (6,6 nV/?(Hz)) powinny również zadowolić większość konstrukto- rów. Nieco gorzej na tle omawianych wcze- śniej typowych wzmacniaczy pomiarowych przedstawia się CMRR, który w  tym przy- padku ma wartość tylko 67  dB. W  stopniu końcowym zastosowano wzmacniacz trans- impedancyjny realizujący prądowe sprzęże- nie zwrotne. Konieczne w związku z tym jest dołączanie zewnętrznego rezystora RF usta- lającego głębokość tego sprzężenia. Schemat funkcjonalny wzmacniacza LMH6503 przed- stawiono na rys. 11. Aplikacje Medycyna to niemal nieograniczone pole do działania dla elektroniki. Elektronikę me- dyczną wyróżnia posunięta do granic możli- wości niezawodność i  zapewnienie bezpie- czeństwa użytkowników. Do produkcji urzą- dzeń tej klasy stosuje się podzespoły najwyż- szej jakości, korzysta się z najnowszej myśli technicznej. Dla konstruktorów i  producen- tów jest to dziedzina bardzo intratna, bo tu oszczędność jest niewskazana, ale trzeba rów- nież pamiętać o olbrzymiej odpowiedzialno- ści każdego wytwórcy sprzętu medycznego. W artykule zostały przedstawione wzmacnia- cze pomiarowe, które stanowią bardzo istotny element większości tego typu urządzeń od prostych mierników ciśnienia krwi, do tak skomplikowanej aparatury jaką jest tomogra- fia komputerowa. Wiele rozwiązań układo- wych jest chronionych patentami, nie można zatem liczyć na to, że w  Elektronice Prak- tycznej zostaną kiedyś dokładnie opisane. Byłoby to wręcz nierozsądne, gdyż mogłoby zainspirować domorosłych elektroników do próby wykonania podobnych urządzeń, a co gorsze ich nieumiejętnego użytkowania i bez wymaganych atestów. Nie oznacza to jednak, że elektronika medyczna ma pozostawać wie- dzą tajemną. Spora dawka sekretów została zresztą ujawniona w  artykułach tego nume- ru, a to jeszcze nie wszystko. Na zakończenie proponujemy odwiedzenie strony http://focus. ti.com/apps/docs/appcategory.tsp?appId=270, na której przedstawiono w  sposób interak- tywny kilka ciekawych przykładów z zakresu elektroniki medycznej. Są tam zamieszczone schematy blokowe m.in. takich urządzeń jak: przyrząd do określania stężenia tlenu i dwu- tlenku węgla we krwi, defibrylator, miernik ciśnienia krwi, przyrząd do wspomagania oddychania, skaner tomografu komputero- wego, maszyna do dializy, elektrokardiogram, endoskop, pompa infuzyjna i  wiele innych nie mniej interesujących. Na rys.  12 przed- stawiono przykładowy zrzut ekranowy stro- ny, na której jest pokazany elektrokardiograf. Kliknięcie na dowolny blok funkcjonalny po- woduje wyświetlenie listy układów produko- wanych przez Texas Instruments, które mogą być wykorzystane do budowy tego bloku. Pod każdym rysunkiem znajduje się obszerny opis danego urządzenia. Porządek czy chaos? Przedstawione wyżej oferty na wzmac- niacze pomiarowe różnych producentów nie wyczerpują oczywiście tematu. Doświadczeni elektronicy mogą się dziwić, że nie padły tu nazwy kilku znanych firm zajmujących czo- łowe pozycje w  przemyśle elektronicznym. Przyczyną na ogół była trudność klasyfika- cji ich wyrobów, które mimo, że ?zahacza- ły? o  tematykę wzmacniaczy pomiarowych, to jednak zdaniem autora nie mieściły się w przyjętych założeniach. Największy kłopot był z grupą scalonych wzmacniaczy różnico- wych, które jednakże stanowią odrębną grupę układów i  nie można było dołączyć ich do wzmacniaczy pomiarowych. Problemem była też bardzo zróżnicowana liczba oferowanych typów w ramach opisywanej grupy układów. Na dobrą sprawę cały artykuł można by wy- pełnić opisem wyrobów firmy Analog Devi- ces czy Texas Instruments, ale przecież nie o to chodzi. Z kolei inni elektronicy, którzy od lat ?siedzą w temacie? i rutynowo sięgają po wyroby stale tych samych producentów być może teraz zadają sobie po cichu pytanie: ?Jak to? To ktoś oprócz AD i TI potrafi też robić wzmacniacze pomiarowe??. Artykuł proszę więc traktować jako wyzwanie rzucone Czy- telnikom i zachętę do samodzielnego wirtual- nego przewertowania kilku internetowych ka- talogów. Nadchodzą długie zimowe wieczory, więc będzie na to sporo czasu. Jarosław Doliński, EP jaroslaw.dolinski@ep.com.pl
Artykuł ukazał się w
Styczeń 2010
DO POBRANIA
Pobierz PDF Download icon
Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik styczeń 2020

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio styczeń 2020

Świat Radio

Magazyn użytkowników eteru

APA - Automatyka Podzespoły Aplikacje styczeń 2020

APA - Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna styczeń 2020

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Praktyczny Kurs Elektroniki 2018

Praktyczny Kurs Elektroniki

24 pasjonujące projekty elektroniczne

Elektronika dla Wszystkich styczeń 2020

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów