Предварительный усилитель для аналого-цифрового преобразователя

Полезная модель относится к электронным схемам предварительных усилителей в системах измерения напряжения сигналов с преобразованием их в цифровую форму. Сущность полезной модели состоит во встраивании четвертого операционного усилителя (ОУ) в схему измерительного усилителя на трех ОУ. Дополнительный противофазный выход четвертого ОУ позволяет улучшить линейность (свыше 100 дБ), увеличить подавление синфазных помех измерительного тракта благодаря симметрированию сигналов на дифференциальных входах АЦП. Сохраняется до гигом входное сопротивление как у измерительного усилителя на трех ОУ, нановольтная чувствительность при низкоомных и высокоомных, симметричных и несимметричных источниках сигнала, независимость входного сопротивления от коэффициента усиления и возможность подключения напряжения смещения от внешнего источника. Достаточна одна микросхема с четырьмя операционными усилителями со сменой усиления одним резистором.

Полезная модель относится к электронным схемам предварительных усилителей в системах измерения напряжения сигналов с преобразованием их из аналоговой формы в цифровую.

В современных системах измерения напряжения сигналов нашли применение аналого-цифровые преобразователи (АЦП), для наилучших показателей которых необходимо подавать на два дифференциальных входа АЦП симметричные сигналы (т.е. на инвертирующем входе АЦП должен быть сигнал, противофазный и равный по амплитуде сигналу на неинвертирующем входе) [1].

Известны полностью дифференциальные (fully-differential) усилители [2], имеющие два дифференциальных входа и два симметричных выхода, которые предназначены для работы с упомянутыми АЦП.

Недостатком полностью дифференциальных усилителей является низкое входное сопротивление порядка «десятков ом-десятков килоом», что в ряде случаев неприемлемо. Например, когда к источнику подключается одновременно несколько низкоомных входов измерительных каналов, существенно увеличивается погрешность измерения уровня сигнала источника из-за шунтирования его выхода.

Повышение входного сопротивления таких усилителей до мегом и более путем увеличения сопротивлений входных резисторов и резисторов обратной связи приводит к увеличению собственных шумов полностью дифференциальных усилителей из-за увеличения э.д.с. тепловых шумов резисторов по известному закону

где е эффективное значение электродвижущей силы шума резистора, В;

k постоянная Больцмана, равная 1,38-10 ^-23 Вт(°КТц)^-1;

Т температура резистора, °К;

R сопротивление резистора, Ом;

AF ширина полосы частот, Гц.

Соответственно ухудшается чувствительность при повышении входного сопротивления.

Кроме того, при смене усиления входными резисторами изменяется входное сопротивление, что также сужает область применения полностью дифференциальных усилителей, поскольку в прецизионных измерительных системах изменение входного сопротивления приводит к дополнительным погрешностям измерения.

Столь существенные недостатки полностью дифференциальных усилителей (плохая чувствительность при высокоомном входе и повышенная погрешность измерений при смене усиления) указывает на ограниченность области их применимости. Поэтому, несмотря на все возрастающее количество разработок полностью дифференциальных усилителей ведущими зарубежными фирмами, следует признать это направление малоперспективным для высококачественных систем измерения напряжения сигналов с преобразованием их из аналоговой формы в цифровую. В связи с чем, также нецелесообразно принять полностью дифференциальные усилители в качестве ближайшего прототипа для предлагаемой полезной модели.

Известны иные схемные решения для высококачественных систем измерения напряжения, лишенные отмеченных недостатков, основанные на широко применяемой специалистами схеме измерительного усилителя на трех операционных усилителях (ОУ) [3].

В качестве прототипа выбран такой усилитель на трех ОУ, имеющий малый уровень собственных шумов при высокоомном входном сопротивлении (от мегом и до нескольких гигом в зависимости от типа входных транзисторов - биполярных или полевых). Это достигается отсутствием резисторов на входе усилителя. Во внутренних промежуточных цепях усилителя сопротивление резисторов может быть выбрано достаточно низким «десятки ом-единицы килоом», что приводит к малому уровню тепловых шумов резисторов и позволяет достичь почти теоретического предела чувствительности нановольтного диапазона, обусловленного шумами транзисторов ОУ во входных каскадах. Кроме того, смена усиления путем переключения резисторов в промежуточных цепях в таком усилителе не приводит к изменению входного сопротивления, что

также является положительным фактором, указывающим на перспективность такого схемного решения.

Однако существенными недостатками выбранного прототипа является отсутствие на его выходе симметричных (противофазных) сигналов, поскольку прототип имеет лишь один выход. Это существенно ухудшает линейность измерительного тракта при работе совместно с упомянутыми выше высококачественными АЦП с дифференциальными входами. Кроме того, при одном выходе предварительного усилителя ухудшается подавление синфазной помехи в измерительном тракте из-за невозможности использования подавления синфазной помехи самим АЦП при подаче сигнала только на один из входов АЦП.

Раскрытие полезной модели

Сущность полезной модели состоит в изменении схемы измерительного усилителя на трех ОУ путем встраивания дополнительного четвертого операционного усилителя.

При этом, благодаря дополнительному ОУ, решаются следующие задачи:

- улучшение линейности измерительного тракта по сравнению с прототипом, благодаря формированию дополнительного инверсного выхода, который, наряду с неинверсным выходом, позволяет улучшить линейность АЦП;

- улучшение подавления синфазной помехи в измерительном тракте по сравнению с прототипом, благодаря формированию дополнительного инверсного выхода, который, наряду с неинверсным выходом, позволяет дополнительно использовать подавление самим АЦП синфазных шумов и помех.

Улучшение подавления синфазных шумов и помех обеспечивается за счет не только подавления их в предварительном усилителе, но и дополнительно в АЦП в режиме работы АЦП с симметричным сигналом на его двух дифференциальных входах (при несимметричном сигнале на входе АЦП подавление синфазных помех в АЦП отсутствует).

При этом сохраняется, как у прототипа:

- низкий уровень собственных шумов и высокая нановольтная чувствительность;

- высокое до гигом входное сопротивление;

- независимость входного сопротивления предварительного усилителя от изменения коэффициента усиления.

Другими словами, достигается существенное повышение линейности, а также защищенности измерительного тракта от синфазных шумов и помех при сохранении как у прототипа высоких показателей по чувствительности и входному сопротивлению. Для этого достаточен один корпус микросхемы с четырьмя ОУ со сменой усиления одним резистором вместо двух-четырех резисторов, как это требуется для полностью дифференциальных усилителей. Все это указывает на перспективность выбранного направления совершенствования предварительных усилителей в системах измерения напряжения сигналов с преобразованием их из аналоговой формы в цифровую.

Краткое описание схем

На Фиг.1 показана схема прототипа усилителя на трех ОУ, где:

- входной сигнал подключен к неинверсным входам первого и второго ОУ DA1,DA2;

- выход первого ОУ DA1 через резистор обратной связи R1 подключен к инверсному входу первого ОУ DA1;

- выход второго ОУ DA2 через резистор обратной связи R2 подключен к инверсному входу второго ОУ DA2;

- между инверсными входами первого ОУ DA1 и второго ОУ DA2 подключен резистор R3, изменение номинала которого может использоваться для регулировки усиления предварительного усилителя в целом;

- выход первого ОУ DA1 через резистор R4 подключен к инверсному входу третьего ОУ DA3;

- выход второго ОУ DA2 через резистор R5 подключен к неинверсному входу третьего ОУ DA3;

- неинверсный вход третьего ОУ DA3 через резистор R6 подключен к внешнему источнику напряжения смещения "REF" относительно общего «заземленного» провода;

- выход третьего ОУ DA3 подключен через резистор обратной связи R7 к инверсному входу третьего ОУ DA3 и к неинверсному входу АЦП "to+in ADC"* (* Схема выполнена с использованием стандартного пакета программ P-CAD2001, где допускается использование только символов английского языка. "to+in ADC" - на неинверсный вход аналого-цифрового преобразователя. "to-in ADC" - на инверсный вход аналого-цифрового преобразователя. "REF" - к источнику напряжения смещения, подаваемому относительно общего «заземленного» провода (напряжение смещения, как правило, необходимо для высококачественной работы АЦП));

- сопротивление резисторов одинаковы (R1=R2), (R4=R5), (R6=R7) для увеличения подавления синфазной помехи в предварительном усилителе.

- На Фиг.2 показана схема предлагаемой полезной модели, где дополнительный четвертый ОУ (DA4, R8-R11) подключен следующим образом:

- выход первого ОУ DA1 через резистор R8 подключен к неинверсному входу четвертого ОУ DA4;

- неинверсный вход четвертого ОУ DA4 через резистор R9 подключен к внешнему источнику напряжения смещения "REF" относительно общего «заземленного» провода;

- выход второго ОУ DA2 через резистор R10 подключен к инверсному входу четвертого ОУ DA4;

- выход четвертого ОУ DA4 подключен к инвертирующему входу четвертого ОУ DA4 через резистор обратной связи R11 и к инвертирующему входу АЦП "to-in ADC";

- сопротивление резисторов одинаковы (R1=R2), (R4=R5=R8=R10), (R6=R7=R9=R11) для увеличения подавления синфазной помехи в предварительном усилителе.

Функционирование полезной модели

Входной сигнал, внешние шумы и помехи поступают на неинверсные входы ОУ DA1 и DA2, усиливаются ОУ DA1 и DA2 с коэффициентами усиления, определяемые соотношениями сопротивлений резисторов R1, R2, R3 и поступают через резисторы R4, R5, R8, R10 на входы ОУ DA3 и DA4.

Резисторы R4, R5, R6, R7 и ОУ DA3 (а также R8, R9, RIO, R11 и ОУ DA4) образуют схемы двух независимых дифференциальных усилителей.

Дифференциальные усилители позволяют подавить вредные синфазные составляющие в поступивших сигналах, шумах и помехах, а также усилить противофазные составляющие [3. Степень подавления синфазных составляющих зависит от точности подбора сопротивлений резисторов и схемных особенностей самих ОУ. Подавление для высококачественных ОУ может достигать 100 и более децибел.

Коэффициенты усиления противофазных составляющих определяются соотношениями сопротивлений резисторов R4, R7 для ОУ DA3 (а также RIO, R11 для ОУ DA4).

В результате, на выход ОУ DA3 поступают составляющие полезного сигнала, шумов и помех с фазами, одинаковыми с фазами на входе «+» предварительного усилителя (на неинверсном входе ОУ DA2).

Поскольку полярность подключения входов ОУ DA4 к выходам ОУ DA1 и DA2 противоположна полярности подключения входов ОУ DA3, то на выход ОУ DA4 поступают составляющие полезного сигнала, шумов и помех с фазами, противоположными фазам на выходе ОУ DA3.

Эти составляющие, противофазные между собой, поступают на дифференциальные входы АЦП и в дальнейшем преобразуются в цифровую форму.

Кроме того, на выходы ОУ DA3 и DA4 поступают остаточные ослабленные синфазные составляющие сигнала, шумов и помех, которые дополнительно подавляются в АЦП, поскольку поступают синфазно на дифференциальные входы АЦП.

Таким образом, введение дополнительного четвертого ОУ DA4 позволяет на обоих выходах предварительного усилителя получить симметричные (противофазные и равные по амплитуде) полезные сигналы, что позволяет АЦП работать в наиболее оптимальном режиме, при котором достигается новый эффект - повышенная линейность (до 100 и более децибел [4]) в измерительном тракте по сравнению с подачей несимметричного сигнала на дифференциальные входы АЦП, а также достигается повышенное подавление

синфазных шумов и помех, благодаря подавлению их, как в предусилителе, так и в АЦП (при несимметричном сигнале на входе АЦП подавление помех в АЦП отсутствует).

ССЫЛКИ НА ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. W.Kester, J.Bryant. "SYGMA-DELTA ADCs AND DACs". 1993 System Applications Gaide. Analog Devices Ltd. Printed in USA G 1829-10-9/93. 1993. (Руководство по использованию А^АЦП и ЦАП. Глава 14, стр.14-21 и стр.14-25.). Копия главы 14 прилагается

2. James Karki. "Fully-Differential Amplifiers". Applicaition Report SLOA054D - January 2002. Copyright©2003. Texas Instruments Incorporated. USA. (www.ti.com)(amplifier.ti.com). Копия руководства по применению прилагается

3. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 3-х томах: Том 2. Перевод с английского. - 4 издание, переработанное и дополненное. - М.: Мир, 1993. (Глава 7, стр.38-43).

4. «Результаты измерения линейности полезной модели». Копия прилагается.

Предварительный усилитель в системах измерения напряжения сигналов с преобразованием их из аналоговой формы в цифровую, состоящий из трех операционных усилителей (ОУ), в котором входной сигнал подключен к неинверсным входам первого и второго ОУ, выход первого ОУ через первый резистор обратной связи подключен к инверсному входу первого ОУ, выход второго ОУ через второй резистор обратной связи подключен к инверсному входу второго ОУ, между инверсными входами первого ОУ и второго ОУ подключен третий резистор, выход первого ОУ через четвертый резистор подключен к инверсному входу третьего ОУ, выход второго ОУ через пятый резистор подключен к неинверсному входу третьего ОУ, неинверсный вход третьего ОУ через шестой резистор подключен к внешнему источнику напряжения смещения, выход третьего ОУ подключен через седьмой резистор к инверсному входу третьего ОУ и к неинверсному входу аналого-цифрового преобразователя (АЦП), причем сопротивление второго и третьего резисторов одинаковы, сопротивление четвертого и пятого резисторов одинаковы, сопротивление шестого и седьмого резисторов одинаковы, отличающийся тем, что в схему предварительного усилителя введен дополнительный четвертый ОУ, неинверсный вход которого через восьмой резистор соединен с выходом первого ОУ, а также через девятый резистор с внешним источником напряжения смещения, инверсный вход четвертого ОУ через десятый резистор соединен с выходом второго ОУ, а также через одиннадцатый резистор с выходом четвертого ОУ, выход четвертого ОУ подключен к инверсному входу АЦП, причем сопротивления восьмого и десятого резисторов одинаковы сопротивлениям четвертого, пятого резисторов, сопротивления девятого и одиннадцатого резисторов одинаковы сопротивлениям шестого и седьмого резисторов.