销售热线:021-63632619-118
新闻详情

仪器放大器设计中常见基本问题的解决技巧

发表时间:2021-01-13 09:29作者:上海新跃电位器

工程师通过仪器能够查看和了解不同的电子或机械的运行情况。这些设备通过获取、分析数据,使工程师可以监视和控制机械并进行所有必要的更正。在测试或原型制作期间,仪器可以改善电路,从而可以创建新的更好的设计。
由于需要具有广泛的更功能强大的仪器来应对各种应用程序提出的挑战,因此本文将着眼于一个关键设计组件:仪表放大器
不同的市场期望从一种工具获得不同的特征:军事市场由可靠性驱动;消费市场是成本驱动的;医疗市场安全驱动;汽车市场是以上所有因素的结合。尽管如此,仍然有必要指出,为满足未来需求而设计的新工具通常必须具有以下一项或多项特征:
速度更快。现代仪器的一个挑战是无损失地收集大量信号,同时有效地高速提取这些信号中编码的信息。更快的测量速度也意味着必须有足够的空间来累积在内存中收集的数据。这里最重要的规范之一是采样率,它与设备的ADC采样信号的速度有关。
较小的尺寸。仪器仪表市场的新兴趋势之一是设备的小型化。越来越多的功能被设计成越来越小的设计,并且没有测量精度的损失。对于用于实验室工作台测试的高通道数平台,需要更小的外形尺寸。小型化仪器更容易嵌入到大型工业系统中。为医疗应用而设计的仪器必须很小,以减小患者佩戴设备的物理尺寸和重量。
降低功耗。在不消除功能或不增加放大器需求的情况下,与新设备相比,新设备有望降低功耗。

20210111对噪声和物理或电干扰的抵抗力更大。要求仪器在可能存在噪音,振动和物理冲击的环境中运行的操作要求,对设计人员构成了挑战。在工业应用中,模拟量输入模块通常必须从处于极端温度和湿度甚至可能具有腐蚀性或爆炸性化学物质特征的恶劣环境中的远程传感器获取并处理信号。如今,便携式仪器几乎必须具有连接网络的用户界面(UI)的要求,因此也很可能要承受占空比的变化,其中包括温度极限以及湿度和物理应力。
提高系统可靠性并减少维护停机时间。系统可靠性是最重要的,因为由于设备故障而造成的停机成本可能很高。例如,在海上作业的钻机上的电子组件发生故障,可能需要一天以上的时间才能取回和更换,在此期间,它会阻止昂贵的深水钻机的运行。
最小的转换错误。一个例子是低量化噪声。ADC的模拟输入是具有无限可能状态的连续信号,而其数字输出是具有离散状态的离散函数,其状态取决于设备的分辨率。在从模拟到数字的转换中,由输入上的不同电压表示的部分模拟信号可以由输出上的相同数字代码表示。结果,一些信息丢失并且失真已经引入到信号中,这称为量化噪声。
更高的精度和足够的带宽。准确度定义为对仪器忠实指示被测信号值的能力的度量。带宽描述了输入信号可以以最小幅度损失通过模拟前端的频率范围。
高效的散热设计。不得将散热元件放在对热敏感的组件附近,并且整个设备的气流必须足够。
一旦确定了仪器的工作条件和性能指标,就必须在方框中识别该设备的功能组件。必须选择合适的传感器,信号处理电路,数字和无源组件以及电源。要满足这些需求,就需要完整的高性能组件BOM,例如模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)。前者用于将模拟信号(如温度传感器,无线电接收器或摄像机的输出)转换为数字信号以进行处理。相反,DAC用于将数字信号转换回模拟信号。
在仪器可以有效,准确地测量信号之前,许多应用都需要大量的信号调理,以减少噪声,增加动态范围并补偿传感器的非线性。例如,医疗仪器模拟前端中的信号调理提出了在存在较大差分直流电势时检测小信号的设计挑战。考虑心电图(ECG):心脏电活动的采集和记录(图1)。形成心脏细胞外壳的每个细胞膜都有一个相关的电荷,该电荷在每次心跳期间都会去极化。这些脉冲在皮肤上显示为微小的电信号,可被ECG检测,转换为波形并放大。

图1:ECG设备的框图
仪表放大器(或仪表放大器),是一种特殊的放大器类型,通常是测量前端的第一个组件,因此它的性能对于运算放大器的性能至关重要。
通常,从传感器获得的信号幅度很小,因此必须先放大,然后才能进行处理和显示。简而言之,仪表放大器的功能是从噪声环境中的压力或温度传感器和其他信号源中提取感兴趣的小信号(在大共模信号之上的差分信号),并放大差值。在两个输入信号电压之间。
仪表放大器广泛用于医疗设备,例如ECG和EEG监护仪,血压监护仪和除颤器。可以使用仪表放大器的仪表应用的其他示例包括音频(例如,作为麦克风前置放大器),电缆RF系统中的高频信号放大以及用于视频成像的高速信号调节。通过测量三相交流电动机的电压,电流和相位关系,仪表放大器还可用于电动机监视(监视和控制电动机速度,转矩等)。
仪表放大器和运算放大器之间的主要区别在于,运算放大器是一种开环设备,而仪表放大器则带有一个预设的内部反馈电阻器网络,该网络与其输入端子隔离。与运算放大器一样,输出阻抗非常低。
选择适合特定电路设计的仪表放大器需要清楚地了解其特性以及如何在产品数据手册中体现它们。定义高质量仪表放大器的一些属性包括:
高共模抑制比(CMRR)。这是仪表放大器的基本品质因数。由于理想的仪表放大器仅检测其输入之间的电压差,因此任何共模信号(两个输入的电位相等)在输入级均被拒绝,而不会被放大。实际上,仪表放大器对共模信号的抑制程度是由CMRR测量的,CMRR就是仪表放大器的差分增益除以共模增益。仪表放大器的CMRR至少应在需要抑制的输入频率范围内较高,总的来说,较大的CMRR值更好。
低噪声。因为仪表放大器必须能够处理非常低的输入电压,所以仪表放大器一定不能在信号噪声中增加自己的噪声。显然,噪声数越小越好。仪表放大器的噪声性能通常随增益而提高,因此应在适当的增益下比较仪表放大器。
低输入失调电压和失调电压漂移。与运算放大器一样,仪表放大器必须具有低失调电压。电压偏移是误差的来源,并取决于放大器的拓扑。它的范围可以从微伏到毫伏。放大器会随温度变化而变化。即使是高精度放大器,也容易受到温度漂移的影响。尽管可以通过外部调整来抵消失调电压,但无法调整失调电压漂移。与初始失调一样,失调漂移具有两个分量,仪表放大器的输入和输出部分各自贡献了误差的一部分。随着增益的增加,输入级的失调漂移可能成为失调误差的主要来源。
低增益误差。通常指定为最大百分比,它表示特定放大器与理想增益方程的最大偏差。仪表放大器的增益可以由制造商预设,也可以由用户使用外部增益电阻器设置,或者通过仪表放大器的某些引脚操纵内部电阻器来设置。电阻器网络中电阻器值和温度梯度的变化都可能导致增益误差。
低非线性。尽管可以校正输入失调误差,但非线性是固有的性能限制,不能通过外部调整来消除。非线性通常指定为满量程的百分比,制造商在正负满量程电压和零时测量仪表放大器的误差。低非线性必须由制造商设计。
现在,让我们考虑在Mouser网站的“最新产品”部分中找到的几个真实示例。ADI公司的AD8428仪表放大器旨在精确测量微小的高速信号。它提供了业界领先的增益精度(0.2%),噪声和带宽。ADI AD8428(图2)具有固定的2000增益,是业界最快的仪表放大器之一。AD8428的高CMRR(最小值为130 dB),可防止有害信号破坏采集数据。器件的引脚排列旨在避免寄生电容失配,该失配会在高频下降低CMRR。据说该ADI器件非常适合用于传感器接口,医疗仪器和患者监护应用。

图2:AD8428的功能块
德州仪器(TI)INA826精密仪表放大器具有极低的功耗,并能在很宽的单电源或双电源范围内工作。从负电源一直到正电源的1 V,整个输入共模范围内的共模抑制比均超过84 dB。TI INA826使用轨到轨输出,非常适合从2.7V单电源以及高达±18 V的双电源的低电压操作。TI INA826仪表放大器设计用于多种应用应用,包括工业过程控制,断路器,电池测试和ECG放大器。
总而言之,为了应对市场上不同行业提出的设计挑战,电子仪器和测量设计正在突破性能,功率和集成功能的界限。本文介绍了现代仪器满足客户期望所需的特性,并研究了仪表放大器的重要特性。


分享到:
在线客服
 
 
 工作时间
周一至周五 :8:30-17:30
周六至周日 :9:00-17:00
 联系方式
销售热线:021-6363 2619
Email:shyb108@163.com