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儀器放大器設計中常見基本問題的解決辦法

  • 發布時間:2023-11-09
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儀器放大器設計中常見基本問題的解決辦法

  程師通過儀器能夠查看和了解不同的電子或機械的運行情況。這些設備通過獲取、分析數據,使工程師可以監視和控制機械并進行所有必要的更正。在測試或原型制作期間,儀器可以改善電路,從而可以創建新的更好的設計。

  由于需要具有廣泛的更功能強大的儀器來應對各種應用程序提出的挑戰,因此本文將著眼于一個關鍵設計組件:儀表放大器。

  不同的市場期望從一種工具獲得不同的特征:軍事市場由可靠性驅動;消費市場是成本驅動的;醫療市場安全驅動;汽車市場是以上所有因素的結合。盡管如此,仍然有必要指出,為滿足未來需求而設計的新工具通常必須具有以下一項或多項特征:

  速度更快?,F代儀器的一個挑戰是無損失地收集大量信號,同時有效地高速提取這些信號中編碼的信息。更快的測量速度也意味著必須有足夠的空間來累積在內存中收集的數據。這里最重要的規范之一是采樣率,它與設備的ADC采樣信號的速度有關。

  較小的尺寸。儀器儀表市場的新興趨勢之一是設備的小型化。越來越多的功能被設計成越來越小的設計,并且沒有測量精度的損失。對于用于實驗室工作臺測試的高通道數平臺,需要更小的外形尺寸。小型化儀器更容易嵌入到大型工業系統中。為醫療應用而設計的儀器必須很小,以減小患者佩戴設備的物理尺寸和重量。

  降低功耗。在不消除功能或不增加放大器需求的情況下,與新設備相比,新設備有望降低功耗。

  對噪聲和物理或電干擾的抵抗力更大。要求儀器在可能存在噪音,振動和物理沖擊的環境中運行的操作要求,對設計人員構成了挑戰。在工業應用中,模擬量輸入模塊通常必須從處于極端溫度和濕度甚至可能具有腐蝕性或爆炸性化學物質特征的惡劣環境中的遠程傳感器獲取并處理信號。如今,便攜式儀器幾乎必須具有連接網絡的用戶界面(UI)的要求,因此也很可能要承受占空比的變化,其中包括溫度極限以及濕度和物理應力。

  提高系統可靠性并減少維護停機時間。系統可靠性是最重要的,因為由于設備故障而造成的停機成本可能很高。例如,在海上作業的鉆機上的電子組件發生故障,可能需要一天以上的時間才能取回和更換,在此期間,它會阻止昂貴的深水鉆機的運行。

  最小的轉換錯誤。一個例子是低量化噪聲。ADC的模擬輸入是具有無限可能狀態的連續信號,而其數字輸出是具有離散狀態的離散函數,其狀態取決于設備的分辨率。在從模擬到數字的轉換中,由輸入上的不同電壓表示的部分模擬信號可以由輸出上的相同數字代碼表示。結果,一些信息丟失并且失真已經引入到信號中,這稱為量化噪聲。

  更高的精度和足夠的帶寬。準確度定義為對儀器忠實指示被測信號值的能力的度量。帶寬描述了輸入信號可以以最小幅度損失通過模擬前端的頻率范圍。

  高效的散熱設計。不得將散熱元件放在對熱敏感的組件附近,并且整個設備的氣流必須足夠。

  一旦確定了儀器的工作條件和性能指標,就必須在方框中識別該設備的功能組件。必須選擇合適的傳感器,信號處理電路,數字和無源組件以及電源。要滿足這些需求,就需要完整的高性能組件BOM,例如模數轉換器(ADC)和數模轉換器(DAC)。前者用于將模擬信號(如溫度傳感器,無線電接收器或攝像機的輸出)轉換為數字信號以進行處理。相反,DAC用于將數字信號轉換回模擬信號。

  在儀器可以有效,準確地測量信號之前,許多應用都需要大量的信號調理,以減少噪聲,增加動態范圍并補償傳感器的非線性。例如,醫療儀器模擬前端中的信號調理提出了在存在較大差分直流電勢時檢測小信號的設計挑戰??紤]心電圖(ECG):心臟電活動的采集和記錄(圖1)。形成心臟細胞外殼的每個細胞膜都有一個相關的電荷,該電荷在每次心跳期間都會去極化。這些脈沖在皮膚上顯示為微小的電信號,可被ECG檢測,轉換為波形并放大。

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1ECG設備的框圖

儀表放大器(或儀表放大器),是一種特殊的放大器類型,通常是測量前端的第一個組件,因此它的性能對于運算放大器的性能至關重要。

  通常,從傳感器獲得的信號幅度很小,因此必須先放大,然后才能進行處理和顯示。簡而言之,儀表放大器的功能是從噪聲環境中的壓力或溫度傳感器和其他信號源中提取感興趣的小信號(在大共模信號之上的差分信號),并放大差值。在兩個輸入信號電壓之間。

  儀表放大器廣泛用于醫療設備,例如ECGEEG監護儀,血壓監護儀和除顫器??梢允褂脙x表放大器的儀表應用的其他示例包括音頻(例如,作為麥克風前置放大器),電纜RF系統中的高頻信號放大以及用于視頻成像的高速信號調節。通過測量三相交流電動機的電壓,電流和相位關系,儀表放大器還可用于電動機監視(監視和控制電動機速度,轉矩等)。

  儀表放大器和運算放大器之間的主要區別在于,運算放大器是一種開環設備,而儀表放大器則帶有一個預設的內部反饋電阻器網絡,該網絡與其輸入端子隔離。與運算放大器一樣,輸出阻抗非常低。 

  選擇適合特定電路設計的儀表放大器需要清楚地了解其特性以及如何在產品數據手冊中體現它們。定義高質量儀表放大器的一些屬性包括:

  高共模抑制比(CMRR)。這是儀表放大器的基本品質因數。由于理想的儀表放大器僅檢測其輸入之間的電壓差,因此任何共模信號(兩個輸入的電位相等)在輸入級均被拒絕,而不會被放大。實際上,儀表放大器對共模信號的抑制程度是由CMRR測量的,CMRR就是儀表放大器的差分增益除以共模增益。儀表放大器的CMRR至少應在需要抑制的輸入頻率范圍內較高,總的來說,較大的CMRR值更好。

  低噪聲。因為儀表放大器必須能夠處理非常低的輸入電壓,所以儀表放大器一定不能在信號噪聲中增加自己的噪聲。顯然,噪聲數越小越好。儀表放大器的噪聲性能通常隨增益而提高,因此應在適當的增益下比較儀表放大器。

  低輸入失調電壓和失調電壓漂移。與運算放大器一樣,儀表放大器必須具有低失調電壓。電壓偏移是誤差的來源,并取決于放大器的拓撲。它的范圍可以從微伏到毫伏。放大器會隨溫度變化而變化。即使是高精度放大器,也容易受到溫度漂移的影響。盡管可以通過外部調整來抵消失調電壓,但無法調整失調電壓漂移。與初始失調一樣,失調漂移具有兩個分量,儀表放大器的輸入和輸出部分各自貢獻了誤差的一部分。隨著增益的增加,輸入級的失調漂移可能成為失調誤差的主要來源。

  低增益誤差。通常指定為最大百分比,它表示特定放大器與理想增益方程的最大偏差。儀表放大器的增益可以由制造商預設,也可以由用戶使用外部增益電阻器設置,或者通過儀表放大器的某些引腳操縱內部電阻器來設置。電阻器網絡中電阻器值和溫度梯度的變化都可能導致增益誤差。

  低非線性。盡管可以校正輸入失調誤差,但非線性是固有的性能限制,不能通過外部調整來消除。非線性通常指定為滿量程的百分比,制造商在正負滿量程電壓和零時測量儀表放大器的誤差。低非線性必須由制造商設計。

  現在,讓我們考慮在Mouser網站的“最新產品”部分中找到的幾個真實示例。ADI公司的AD8428儀表放大器旨在精確測量微小的高速信號。它提供了業界領先的增益精度(0.2%),噪聲和帶寬。ADI AD8428(圖2)具有固定的2000增益,是業界最快的儀表放大器之一。AD8428的高CMRR(最小值為130 dB),可防止有害信號破壞采集數據。器件的引腳排列旨在避免寄生電容失配,該失配會在高頻下降低CMRR。據說該ADI器件非常適合用于傳感器接口,醫療儀器和患者監護應用。

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2AD8428的功能塊

  德州儀器(TIINA826精密儀表放大器具有極低的功耗,并能在很寬的單電源或雙電源范圍內工作。從負電源一直到正電源的1 V,整個輸入共模范圍內的共模抑制比均超過84 dB。TI INA826使用軌到軌輸出,非常適合從2.7V單電源以及高達±18 V的雙電源的低電壓操作。TI INA826儀表放大器設計用于多種應用應用,包括工業過程控制,斷路器,電池測試和ECG放大器。

  總而言之,為了應對市場上不同行業提出的設計挑戰,電子儀器和測量設計正在突破性能,功率和集成功能的界限。本文介紹了現代儀器滿足客戶期望所需的特性,并研究了儀表放大器的重要特性。



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