Zastosowania wzmacniaczy operacyjnych cz. 2 wzmacniacze pomiarowe (instrumentacyjne)

Transkrypt

1 Zastosowania wzmacniaczy operacyjnych cz. 2 wzmacniacze pomiarowe (instrumentacyjne) Ryszard J. Barczyński, Politechnika Gdańska, Wydział FTiMS, Katedra Fizyki Ciała Stałego Materiały dydaktyczne do użytku wewnętrznego

2 Wzmacniacz pomiarowy (instrumentacyjny) Wzmacniacz różnicowy jest często stosowany w praktyce (szczególnie w technice pomiarowej). Niestety, parametry prostego układu na jednym wzmacniaczu operacyjnym są często niewystarczające. Wzmacniacze bardziej złożone (i o lepszych parametrach) noszą nazwę wzmacniaczy pomiarowych (instrumentacyjnych).

3 Wzmacniacz pomiarowy z dwoma wzmacniaczami operacyjnymi Układ eliminuje niektóre wady wzmacniacza różnicowego na jednym WO: obydwa wejścia mają wysoką impedancję; wyeliminowano wpływ impedancji wewnętrznej źródła sygnału na CMRR. Z naszych pożytecznych spostrzeżeń : W 1 : (U 3 U 11 )/R 3 + ( U 12 U 11 )/R 1 U 11 /R 2 = 0 W 2 : (U 3 U 12 )/R 3 + ( U 11 U 12 )/R 1 (U 2 U 12 )/R 2 = 0

4 Wzmacniacz pomiarowy z dwoma wzmacniaczami operacyjnymi Po wyeliminowaniu U 3 : U 2 = ( U 12 U 11 ) (1 + R 2 ( R 1 + 2R 3 ) / R 1 R 3 ) Za pomocą rezystora R1 można zmieniać wzmocnienie.

5 Symetryczny wzmacniacz pomiarowy z trzema wzmacniaczami operacyjnymi Z naszych pożytecznych spostrzeżeń : W 1 : (U 11 ' U 11 )/R 2 + ( U 12 U 11 )/R 1 = 0 W 2 : (U 12 ' U 12 )/R 2 + ( U 11 U 12 )/R 1 = 0 Wzmacniacz W3 realizuje odejmowanie U 2 = U 11 ' U 12 ' Skąd mamy: U 2 = (1+ 2R 2 /R 1 ) ( U 12 U 11 )

6 Symetryczny wzmacniacz pomiarowy z trzema wzmacniaczami operacyjnymi Taki układ ma liczne zalety: duża symetria implikuje duży CMRR; rezystory R 3 mają jednakową wartość, łatwiej będzie je wykonać z dużą precyzją; duża (i jednakowa) impedancja wejściowa; wzmocnienie ustawiane jednym rezystorem.

7 Przetwornik prąd napięcie (wzmacniacz transimpedancyjny) Napięcie wejściowe: U WY = I R Rezystancja wejściowa: R WE = R / k u W takim układzie uzyskuje się pomiar prądu przy bardzo małym spadku napięcia wejście odwracające znajduje się praktycznia na potencjale masy. Układ umożliwia pomiar bardzo małych prądów jeżeli tylko rezystancja R jest odpowiednio duża.

8 Przetwornik prąd napięcie (wzmacniacz transimpedancyjny) Praktyczny przykład zastosowania do wzmacniania prądu fotodiody

9 Omomierz (ze skalą liniową) Napięcie wyjściowe: U 2 = R X U W / R 1 Prąd pomiarowy: I = U W / R 1 Napięcie wyjściowe układu jest wprost proporcjonalne do rezystancji R X

10 Wzmacniacze pomiarowe rozwiązania scalone AMP03 firmy Analog Devices to przykład scalonego wzmacniacza różnicowego, który może być również zastosowany jako element większej całości High CMRR: 100 db Typ Low Nonlinearity: 0.001% Max Low Distortion: 0.001% Typ Wide Bandwidth: 3 MHz Typ Fast Slew Rate: 9.5 V/µs Typ Fast Settling (0.01%): 1µs Typ Low Cost

11 Wzmacniacze pomiarowe (rozwiązania scalone) przykładowe aplikacje AMP03 według Analog Devices

12 Wzmacniacze pomiarowe (rozwiązania scalone) przykładowe aplikacje AMP03 według Analog Devices

13 Wzmacniacze pomiarowe (rozwiązania scalone) przykładowe aplikacje AMP03 według Analog Devices

14 Wzmacniacze pomiarowe (rozwiązania scalone) przykładowe aplikacje AMP03 według Analog Devices

15 Wzmacniacze pomiarowe (rozwiązania scalone) przykładowe aplikacje AMP03 według Analog Devices

16 Wzmacniacze pomiarowe rozwiązania scalone AD620 firmy Analog Devices to przykład precyzyjnego a niedrogiego scalonego wzmacniacza pomiarowego. Gain Set with One External Resistor (Gain Range 1 to 10,000) Wide Power Supply Range (±2.3 V to ±18 V) Higher Performance than Three Op Amp IA Designs Low Power, 1.3 ma max Supply LOW NOISE (9 nv/ 1 khz, Input Voltage Noise) 0.28 µv p p Noise (0.1 Hz to 10 Hz) 50 µv max, Input Offset Voltage 0.6 µv/ C max, Input Offset Drift 1.0 na max, Input Bias Current 100 db min Common Mode Rejection Ratio (G = 10) 120 khz Bandwidth (G = 100); 15 µs Settling Time to 0.01%

17 Wzmacniacze pomiarowe rozwiązania scalone AD620 firmy Analog Devices co siedzi w środku...

18 Wzmacniacze pomiarowe rozwiązania scalone AD620 firmy Analog Devices przykład zastosowania w układzie pomiarowym

19 Wzmacniacze pomiarowe rozwiązania scalone Wzmacniacze o dużych CMRR i dopuszczalnym napięciu wspólnym są używane do pomiaru prądu płynącego przez rezystor znajdujący się na dużym potencjale względem masy (na przykład w celu kontroli ładowania akumulatora current sensing amplifiers). Przykład AD626: Pin Selectable Gains of 10 and 100 Single Supply Range of +2.4V to +10V; dual Supply Range of ±1.2V to ±6V Includes Input Protection: Series Resistive Inputs (RIN = 200 k Ω); RFI Filters Included Allows 50V Continuous Overload Low Input Offset Voltage: 500 µv Max Large Common Mode Range: 0V to +54V Low Power: 1.2 mw (VS = +5V) Good CMR of 90 db Typ

20 Wzmacniacze pomiarowe rozwiązania scalone Przykład zastosowania wzmacniacza AD626