A mérőerősítők evolúciója

Az elektronikus jelfeldolgozású eszközök általános digitalizációs trendje egyre előbbre helyezi a feldolgozási láncban az A/D-átalakítót, amely után a jelek már a további tipikus analóg kísérőjelenségek (zaj, termikus drift, zavarérzékenység, ofszet stb.) nélkül kezelhetők. A mérőátalakítóink kimeneti jele, de az általunk vizsgált fizikai jelek nagy része általában is analóg jellegű, és ezek az A/D-átalakító bemenetére rendszerint igényes analóg előfeldolgozó (frontend) áramkörökön jutnak el. Ezekben gyakran használják a cikkben bemutatott mérőerősítők különféle változatait.

Miért van szükségünk mérőerősítőkre?

A múltban a mérőerősítő (instrumentációs erősítő – Instrumentation Amplifier – INA) fogalmát gyakran félreértették, mivel az áramkör neve sokkal inkább az alkalmazására, mintsem a felépítésére utal. (Ha már az elnevezésről esik szó, megjegyezzük, hogy a cikk további részében az angol megnevezés INA rövidítését és a „mérőerősítő” kifejezést egyaránt használjuk majd az angol kifejezés körülményes, de elterjedt magyar tükörfordításával, az „instrumentációs erősítővel” azonos értelemben – A ford. megj.). Az INA-áramkörök a műveleti erősítő általánosan ismert és használt fogalmához is közel állnak, mivel ugyanazt a felépítést követik, azaz egy INA valójában a műveleti erősítő egy specializált, sajátos fajtájának tekinthető. Az INA-áramkörök tervezésénél azt a különleges célt tűzték ki, hogy megoldást kínáljanak a mikrovolt nagyságrendű, differenciális szenzorjelek nagy differenciális erősítéssel történő feldolgozására azzal a további igénnyel, hogy a sokszorta nagyobb, volt nagyságrendű, közös módusú jeleket az előbbiekhez viszonyítva minél kisebb erősítéssel vigye át, azaz „nyomja el”. Ez azért különösen fontos, mert bizonyos szenzorok aránylag kis feszültség- vagy áramerősség-különbség formájában jelenítik meg a mért jelet, és ezeket az apró eltéréseket kell pontosan (értsd: például a kis különbségi jelre szuperponálódó nagy közös módusú jeltől nem zavartatva – A szerk. megj.) feldolgozni.
Tekintsünk át most néhány olyan alkalmazást, amelyek az INA előnyös tulajdonságait hasznosítják. Vegyünk példának egy orvostechnikai berendezést, amely szenzorok jelei alapján működteti a beavatkozás helyét meghatározó léptetőmotorokat bizonyos látáskorrekciós műtéteknél. Érthető, hogy ebben az esetben a nagy pontosság kritikus fontosságú, és a műtőhelyiségben működő más készülékek sem zavarhatják meg a szenzorok jeleinek érzékelését, hiszen az elfogadhatatlan hatást gyakorolhatna a beavatkozás kimenetelére. Egy másik példa egy nagyüzemi présműhely. Az itt található gépek hatalmas nyomóerővel formázzák meg a fémlemezeket, hogy abból térbeli formákat alkossanak. Az ilyen gépek biztonsági rendszere szenzorok jele alapján állítja le a működést, ha azok a munkatérben emberi kéz jelenlétét érzékelik. Ebben a példában is létfontosságú, hogy a más gyártóberendezések által keltett elektromos zajok ne zavarják meg a gép működését, és ebből ne keletkezhessen baleset vagy üzemzavar.
Mindkét említett esetben a szenzorjel útjának első állomása egy mérőerősítő. A kis szintű, differenciális szenzorjeleket kell pontosan (és zavarmentesen) erősíteni minden ilyen környezetben. A mérőerősítőket pontosan arra a célra tervezték, hogy a kis jeleket erősítse fel nagy pontosságú erősítési tényezővel, és tegye mindezt elektromosan zajos környezetben is megbízhatóan és zavarérzéketlenül.

1. ábra  Egy mérőerősítővel megvalósított szenzorinterfész vázlata

Egyéb megfontolások

Vannak más szempontok is, amelyek tovább „feszítik” a mérőerősítőkkel szembeni követelményeket. A kis fogyasztás segíthet például az elemről táplált megoldások elemcsere nélküli élettartamának növelésében. Az alacsony tápfeszültség azért előnyös, mert az elem a kimerülése során bekövetkező feszültségcsökkenés ellenére is tovább marad használható. A széles bemenőfeszültség-tartomány sokféle, eltérő kimenőfeszültségű szenzorral való együttműködést tesz lehetővé. A bemenet impedanciaillesztése szintén az eltérő forrásjellemzőkkel rendelkező szenzorokhoz való könnyebb illesztést segíti elő.

A mérőerősítő-sémák evolúciója

A megszámlálhatatlanul sok orvostechnikai, ipari és fogyasztási cikkbe épített mérőerősítő-alkalmazások kidolgozása során egy sok éves fejlődési folyamat ment végbe az INA-áramkörök előnyeinek kihasználása érdekében. Vessünk most egy pillantást az INA-áramkörök fejlődésére a kezdeti megoldásoktól napjainkig. Azzal, hogy áttekintjük ezeket a megoldásokat az előnyeikkel és korlátaikkal együtt, ez a cikk megmutatja, hogy a jelenkor mérőerősítői milyen minőségi fejlődés eredményei, és milyen – a való életben is használt – alkalmazásokat tesznek lehetővé.
Mielőtt a különféle megoldásokat mélyebben elemeznénk, először megmutatjuk, mi az a feladat, amit a mérőerősítőkkel kívánunk megoldani (1. ábra). A szenzorkimenetek az INA bemeneteire csatlakoznak, amely a két kimenet feszültségének különbségével arányos kimeneti feszültséget állít elő. A zaj sokféle forrásból eredhet, amelyek akár vezetéssel, akár sugárzással érhetik el a bemenetet. Tipikus zajforrások a kapcsolóüzemű tápegységek, a motorok és a vezetékmentesen kommunikáló készülékek. Ezt a zajt részben árnyékolással, részben megfelelő NyÁK-tervezéssel lehet csökkenteni, de bizonyos mennyiségű zaj ezek ellenére is eljut a bemenetekre. Szerencsére a legtöbb zajtípus azonos fázisban éri az erősítő két bemenetét. Az ilyen feszültséget közös módusú feszültségnek (V_CM) is szokás nevezni. Ez hozzáadódik az egymáshoz képest ellenfázisú, differenciális módusú (V_DM) szenzorjel-bemenetekhez. Egy jól tervezett, nagy közösjelelnyomású (Common Mode Rejection Ratio – CMRR) mérőerősítő sokszorosan nagyobb mértékben erősíti a differenciális módusú jelet, mint a közös módusút, így az utóbbi kimeneti jelre gyakorolt hatása jelentősen csökken, miközben a differenciális módusú jelre nézve nagy mértékű, és nagy pontosságú erősítést tesz lehetővé. Egy mérőerősítő közösjelelnyomását tipikusan az egyenfeszültségű (DC) paraméterek között, míg a váltakozófeszültséggel mért (AC) közösjelelnyomást az eszköz jellemző diagramjai közt szokás megadni.

2. ábra  Diszkrét elemekből felépített differenciaerősítő

A diszkrét elemekből felépített differenciaerősítő

Ha két szenzorkimenet feszültségének különbségét akarjuk felerősíteni, egy egyszerű kivonóerősítő is megoldást jelenthet, bár ennek van néhány árnyoldala. A 2. ábrán látható egyszerű megoldásnál a V_IN+ jelet a V_REF referenciafeszültségre vonatkoztatjuk, ami tipikusan a tápfeszültség fele az egy tápfeszültséges rendszerekben. A műveleti erősítőt magát is különbségerősítőnek tervezik, amelynek önmagában ugyan jó a közösjelelnyomása, ám ezt a tulajdonságát felülírják az erősítőt körülvevő áramkör problémái.
A külső ellenállások nagyságának bármilyen eltérése az elméleti értékektől (beleértve a V_REF feszültséget létrehozó ellenállásosztó eltéréseit is) korlátozza a műveleti erősítőnek azt a képességét, hogy elnyomja a közös módusú jeleket – amely a teljes áramkörre vonatkoztatott közösjelelnyomás (CMRR) értékének csökkenésében nyilvánul meg. Az ellenállások értékének tűrése egyszerűen nem elég szoros a mérőerősítőtől elvárt jó közösjelelnyomás értékének fenntartásához. Az alábbi egyenletek mutatják meg, hogy az ellenállásértékek pontatlansága hogyan befolyásolja a CMRR nagyságát. Az egyenletekben feltételezzük, hogy a különbségképző erősítő erősítése 1 V/V, és T_R az ellenállások toleranciája.
Ha T_R= 1%, a legrosszabb esetet figyelembe véve az egyenáramú (DC) CMRR_DIFF értéke 34 dB.
Ha T_R= 0,1%, a legrosszabb esetet figyelembe véve az egyenáramú (DC) CMRR_DIFF értéke 54 dB.
K értéke az ellenállások arányának (R₁/R₂ és R₃/R₄) egymáshoz viszonyított eltérése. Legrosszabb esetben K akár 4 T_R is lehet. Mindezeket figyelembe véve

Az erősítő a bemenetekre kapcsolt feszültségek különbségét erősíti, így

A probléma az, hogy a differenciális feszültségbemeneteket (V_IN- és V_IN+) zajhatás is éri, és bármilyen (a gyenge CMRR miatt el nem nyomott) jel felerősödik, azaz a kimeneti jelben a felerősített zaj is megjelenik. Ennek az egyszerű megközelítésnek más hátrányai is vannak. A műveleti erősítőnek tipikusan nagy (MΩ…GΩ tartományba esik) a bemeneti impedanciája, de a visszacsatoló ellenállások és a referenciafeszültséget előállító osztó ellenállásai csökkentik az impedanciát és növelik annak kiegyenlítetlenségét. Ez terheli a szenzort és pontatlanságot okoz. Ha ezt az áramkört kis amplitúdójú szenzorjelek erősítésére kívánjuk alkalmazni, az erősítés pontatlansága és a zaj jelenléte miatt nem alkalmas méréstechnikai igényű felhasználásra.

3. ábra  A „három műveleti erősítős” megvalósítás

A „három műveleti erősítős” változat (3. ábra)

Ez egy közismert mérőerősítő alapkapcsolás, amely elfér egyetlen integrált áramkörben, és két fokozatból áll. A bemeneti fokozatot két invertáló erősítő, a kimeneti fokozatot pedig egy hagyományos differenciaerősítő alkotja. A beépített ellenállásokat csak úgy lehet megvalósítani a szükséges szűk toleranciasávval, ha azok nagyságát egyedi értékbeállítással párosítják össze. Ez lényegesen megnöveli a közösjelelnyomás (CMRR) értékét. A bemeneti fokozat erősítőinek nagy bemeneti impedanciája biztosítja, hogy a szenzor kimeneteit minimális áramterhelés érje. Az erősítés értékét beállító ellenállás (R_G) lehetővé teszi, hogy a felhasználó (tipikusan 1 V/V és 1000 V/V értéktartományon belül) az alkalmazás igénye szerint válassza meg az erősítés értékét.
A beépített ellenállások aránya, az R₂/R₁ határozza meg a belső differenciaerősítő erősítését, amely a legtöbb mérőerősítőben tipikusan G = 1 V/V értékre van beállítva. Az egész áramkör teljes erősítését az első fokozat erősítésével lehet befolyásolni. A bemenetektől a kimenetig végig kiegyenlített, szimmetrikus jelút a kivételesen magas CMRR kulcsa. Az áramkör elve egyszerű, kis helyen és kevés külső alkatrésszel – tehát alacsony költséggel – valósítható meg. Egytápfeszültséges rendszerekben is jól kezelhető, amihez a V_REF csatlakozópont is hozzásegít. Viszont még ennek a látszólag kifogástalan megoldásnak is vannak korlátai. A „három műveleti erősítős” mérőerősítő magas DC CMRR-értéke a differenciaerősítő csipre integrált ellenállásainak pontos párosításával elérhető, de a visszacsatolt felépítés lényegesen rontja a váltakozóáramon mért (AC) CMRR értékét. Ráadásul a parazitakapacitásokat nem lehet az ellenállásokhoz hasonló pontossággal egymáshoz illeszteni, amely frekvenciafüggő aszimmetriát és csökkent közösjelelnyomás-értéket eredményez. A közös módusú feszültség értéke is korlátozott, mivel a belső csomópontokat nem szabad telítésig kivezérelni. A V_REF csatlakozópontot is jobb lenne az optimális teljesítőképesség érdekében egy belső elválasztóerősítőhöz csatlakoztatni. Végül pedig a beépített és a kívülről csatlakoztatott ellenállások hőfoktényezője sem azonos, amely ugyancsak a CMRR (ezúttal hőmérsékletfüggő – A szerk. megj.) csökkenésében nyilvánul meg.
Matematikailag az erősítés pontossága az ellenállások arányának pontosságától függ:

ahol

4. ábra  A közvetett áram-visszacsatolásos megoldás

A közvetett áramvisszacsatolásos megoldás (4. ábra)

A közvetett áramvisszacsatolás (Indirect Current Feedback – ICF) elvén működő mérőerősítő újszerű feszültség-/áramátalakítási megközelítést alkalmaz. Az áramkör két, pontosan egyforma, feszültségvezérelt áramgenerátorként működő műveleti erősítőt (Operational Transconductance Amplifier – OTA, G_M1 és G_M2) és egy nagy erősítésű áramvezérelt feszültséggenerátort (transzimpedancia-erősítőt, A3) tartalmaz.
Az áramkör működését nem pontosan egyeztetett ellenállásértékek határozzák meg, így tehát az áramkörbe épített, egyedi értékbeállítást igénylő ellenállást sem tartalmaz, ezáltal jelentősen csökkentve a gyártási költséget. A megoldás egy másik fontos előnye, hogy a külsőleg hozzáépített ellenállásokat nem kell semmilyen beépített ellenállással egyeztetni. Egyedül csak az R_F és R_G külső ellenállások hőfoktényezőinek kell egyezniük annyira, amennyire csak lehet, az erősítés értékének minimális hőmérsékletfüggése (erősítésdriftje) érdekében.
A DC CMRR magas értékű, mivel a G_M1 erősítő elnyomja a közös módusú jeleket. Az AC CMRR sem csökken jelentősen a frekvencia növekedtével. Már említettük azt is, hogy a „három műveleti erősítős” változat bemenetifeszültség-tartománya is korlátozott a belső csomópontjai telítődésének elkerülése érdekében. Az ICF-megoldásnál viszont a kimeneti feszültség változási tartománya nem csatolódik vissza a bemeneti közös feszültségbe, és ezzel a működési tartomány olyan kiterjesztését teszi lehetővé, amely a „három műveleti erősítős” felépítéssel nem érhető el. A második fokozat (a GM2 és az A3) differenciálisan erősíti a jelet és tovább csökkenti a közös módusú zajt a V_FG és a V_REF csatlakozópontokon.
Az egy tápfeszültséges működtetés is lehetséges azáltal, hogy megfelelő előfeszültséget kapcsolunk a V_REF pontra.
Az ICF mérőerősítő erősítése:

ahol V_DM a differenciális módusú bemeneti feszültség.

Tipikus alkalmazások

Az 5. ábrán a mérőerősítők néhány jellegzetes alkalmazását láthatjuk. Néhány olyan szenzortípust is bemutatunk, amelyek pontos erősítését a mérőerősítő végzi, mielőtt egy A/D-átalakítóval megmérnénk, és a mérési eredményt egy mikrovezérlővel feldolgoznánk.

5. ábra  Néhány tipikus szenzoralkalmazás, amelyben az érzékelő jeleit mérőerősítő dolgozza fel 

Összefoglalás

Az az igény, hogy kis jeleket zaj jelenlétében erősítsünk, éveken át tartó fejlődési folyamatot indított el.
A legegyszerűbb, egyetlen műveleti erősítős megközelítés nem képes teljesíteni a mérőerősítőkkel szembeni követelményeket.
Az integrált kivitelű, három műveleti erősítőt tartalmazó megoldásnak jelentős előnyei vannak, beleértve a DC CMRR magas értékét, a szimmetrikus és magas értékű bemeneti impedanciákat és az egyetlen ellenállással beállítható erősítési tényezőt. Ugyanakkor komoly korlátozások is jelentkeznek például a közös módusú feszültség terén, valamint abban, hogy rendkívül nehéz olyan külső ellenállást választani, amelynek hőfoktényezője azonos lenne a beépített ellenállásokéval, ami az erősítési tényező hőfokfüggő driftjét eredményezi. A V_REF csatlakozópontot meghajtó feszültségforrás impedanciája ugyancsak negatív hatást gyakorol a közösjelelnyomás értékére – hacsak nem használunk azon a csatlakozóponton is egy elválasztó (buffer) erősítőt.
Az ICF kialakítás ugyancsak garantálja a magas CMRR-értéket (még nagyobb frekvenciákon is), ugyanakkor szélesebb a megengedett közös módusú bemenőfeszültség-tartomány, és nincs szükség egyedileg pontos értékre beállított, csipre integrált ellenállások használatára. Az eredmény az alacsonyabb alkatrészár és az erősítési tényező alacsony hőmérsékletfüggése. Az INA áramkörök alkalmazása kiváló módszert kínál a fejlesztőknek akár mikrovoltos szintű szenzorjelek erősítésre is, miközben eredményesen nyomja el a zajos környezetekre jellemző közös módusú jeleket.

Szerző: Greg Davis, vezető termékmarketing menedzser – Microchip Technology. Inc., Kevert jelű Lineáris Üzletág

 www.microchip.com

még több Microchip