Инструментальные усилители всё чаще применяются в массовой электронике для усиления слабых сигналов на фоне помех. Однако традиционные ИУ не способны полностью подавить радиочастотный шум на высоких частотах, что приводит к выпрямлению радиопомех и появлению дополнительного смещения сигнала. Микросхема XL620 от XINLUDA, дополненная дифференциальным фильтром нижних частот, решает эту проблему.
Актуальность инструментальных усилителей в современном мире
Инструментальные усилители (ИУ) долгое время использовались преимущественно в специализированных системах, где требовалось усилить низкомощные сигналы датчиков в зашумленных условиях — в медицинском оборудовании, промышленных установках и аналогичных приложениях. Однако сегодня фон радиочастотного шума существенно возрос даже в повседневной жизни. Устройства с поддержкой Wi-Fi и Bluetooth, мобильные телефоны, базовые станции связи, рации — всё это постоянный источник радиопомех. При передаче данных на значительные расстояния усиление слабых низкочастотных сигналов может серьёзно затрудниться, поэтому инструментальные усилители теперь всё чаще появляются и в массовой электронной продукции, несмотря на увеличение её стоимости.
Нажмите для увеличения (1200x375)
Проблема подавления синфазных помех на высоких частотах
Основное достоинство инструментального усилителя — способность подавлять синфазные помехи при одновременном усилении дифференциального сигнала. Однако полностью устранить синфазную помеху может только идеальный ИУ. Реальные микросхемы характеризуются коэффициентом ослабления синфазного сигнала (КОСС или CMRR), который показывает, насколько хорошо усилитель подавляет синфазную составляющую входного напряжения.
На практике даже высокоточные инструментальные усилители неэффективны при подавлении синфазных сигналов с частотой выше 100 кГц. Например, прецизионный ИУ INA118 при коэффициенте усиления G = 1000 может ослабить синфазные помехи частотой более 100 кГц не более чем на 90 дБ — то есть в 31600 раз. Этого явно недостаточно, если полезный сигнал составляет 10 мкВ на фоне радиопомех амплитудой 100 мВ.
Нажмите для увеличения (1200x375)
Явление выпрямления радиочастотных помех
Проблема заключается не столько в присутствии высокочастотной составляющей в выходном сигнале — с этим можно успешно бороться различными фильтрами. Куда более серьёзный эффект называют «выпрямлением радиопомех». Суть явления в том, что радиочастотный шум на входе усилителя выпрямляется множеством pn-переходов, расположенных на кремниевой подложке кристалла и работающих как внутренние диоды ИУ. В результате этого выпрямления в выходном сигнале появляется ошибка в виде смещения постоянного тока, зависящая от интенсивности радиопомех. В отличие от высокочастотной составляющей, это смещение не может быть устранено никакими методами фильтрации.
Однако существует способ уменьшить эффект выпрямления радиочастот с помощью правильно спроектированного дифференциального фильтра нижних частот (ДФНЧ) на входе микросхемы XL620.
Нажмите для увеличения (1200x375)
Характеристики микросхемы XL620
XL620 — это недорогой прецизионный инструментальный усилитель, разработанный компанией XINLUDA Information Technology. Коэффициент усиления программируется пользователем в диапазоне 1…10000 с помощью одного резистора. Основные характеристики микросхемы:
Низкая нелинейность: 0,8 ppm
Входной каскад на базе биполярных составных транзисторов
Малый входной ток: 1 нА
Напряжение смещения: ±20 мкВ
Температурный дрейф: 0,1 мкВ/°С
Собственное энергопотребление: 1,3 мА
Уровень шума: 17 нВ/sqrtГц @ 1 кГц
Корпус: SOP-8
Микросхема Pin-to-Pin совместима с популярными усилителями AD620AR и AD620BR и обладает схожими характеристиками. Низкое энергопотребление позволяет использовать XL620 в мобильных устройствах с батарейным питанием. Малые значения входного тока и напряжения смещения делают этот ИУ идеальным выбором для высокоточных систем сбора данных, измерительных приборов, датчиковых интерфейсов и медицинских приложений — мониторов артериального давления, систем мониторинга ЭКГ и ЭЭГ.
Нажмите для увеличения (1200x375)
Дифференциальный фильтр нижних частот
Поскольку выпрямление радиопомех происходит именно из-за наличия высокочастотной составляющей на входе, логичным решением является максимальное устранение радиочастоты перед усилителем. Для XL620 рекомендуется использовать дифференциальный фильтр нижних частот, установленный непосредственно на входе микросхемы.
Требования к дифференциальному фильтру
К такому фильтру предъявляются несколько противоречивых требований:
Максимально возможная фильтрация высокочастотной составляющей входного сигнала
Минимальное искажение или подавление полезного сигнала
Минимальное влияние на источник полезного сигнала
Минимальный уровень собственных шумов
Два последних требования противоречат друг другу: для снижения нагрузки на источник сигнала необходимо увеличивать сопротивление резисторов фильтра, однако это приведёт к увеличению тепловых шумов (шума Джонсона), которые добавятся к входному сигналу усилителя. Любой резистор вносит в схему дополнительный шум, определяемый формулой:
V_noise = sqrt(4 x k x T x R x дельтаf)
где:
k — постоянная Больцмана (1,38 x 10?^2^3 Дж/К)
T — абсолютная температура резистора в кельвинах
R — сопротивление резистора в омах
дельтаf — полоса частот измерения в герцах
Результатом является необходимость компромисса между влиянием на источник сигнала и уровнем шума. Номинал 4,02 кОм, используемый в рекомендуемой схеме, определён на основе множества экспериментов и является оптимальным именно для усилителя XL620.
Нажмите для увеличения (1200x375)
Расчёт полосы пропускания фильтра для дифференциального сигнала
Дифференциальная (полезная) составляющая сигнала на входе усилителя не привязана к общему проводу схемы. Для неё дифференциальный фильтр представляет собой последовательно включённые резисторы R1a и R1b, конденсатор C2 и параллельно включённые конденсаторы C1a и C1b.
При R1a = R1b = R1 и C1a = C1b = C1 постоянная времени такой RC-цепи вычисляется по формуле:
тау_DM = 2 x R1 x C1 + R1^2 x C2 / (2 x R1 + R1) = 2 x R1 x C1 + R1 x C2 / 3
Полоса пропускания дифференциального сигнала определяется как:
BW_DIFF = 1 / (2 x пи x тау_DM)
Нажмите для увеличения (1200x375)
Расчёт полосы пропускания фильтра для синфазной помехи
Синфазная помеха наводится на каждый сигнальный провод относительно земли, поэтому для неё дифференциальный фильтр представляет две параллельно соединённые RC-цепочки.
При R1a = R1b = R1 и C1a = C1b = C1 постоянная времени будет:
тау_CM = R1 x (C1 + C2 / 2)
и полоса пропускания фильтра для синфазной помехи равна:
BW_CM = 1 / (2 x пи x тау_CM)
Практические значения для XL620
При использовании номиналов элементов, рекомендованных для усилителя XL620, полоса пропускания для дифференциального сигнала составляет BW_DIFF(XL620) = 419 Гц. Однако необходимо учитывать, что коэффициент передачи фильтра на этой частоте составляет -3 дБ (0,707), и если полезный сигнал содержит гармоники вблизи или выше этой частоты, форма сигнала будет искажена.
Поэтому полосу пропускания BW_DIFF следует выбирать минимум в 7 раз больше максимальной частоты полезного сигнала — в этом случае неравномерность амплитудно-частотной характеристики фильтра не превысит 1%. При десятикратном запасе неравномерность составит 0,5%.
Нажмите для увеличения (1200x375)
Влияние выбора номиналов элементов
Следует помнить о том, что методы расширения полосы пропускания имеют побочные эффекты:
Снижение сопротивления резисторов фильтра потребует большей нагрузочной способности от источника сигнала, но снизит уровень шума Джонсона
Уменьшение ёмкости конденсатора C2 расширит полосу, но одновременно потребует уменьшения C1a и C1b, что приведёт к повышению частоты среза фильтра синфазных помех
Для анализа степени подавления высокочастотной составляющей сигнала на конкретной частоте используется формула для ослабления ВЧ-сигнала дифференциальным фильтром.
Требования к компонентам дифференциального фильтра
Дифференциальный фильтр на входе ИУ функционирует как мостовая схема, где конденсатор C2 выступает нагрузкой. Любое несоответствие отношений номиналов плеч (R1a/C1a или R1b/C1b) приводит к разбалансировке моста и снижению эффективности подавления высокочастотной синфазной помехи.
При разработке дифференциального фильтра рекомендуется использовать:
Резисторы с точностью номинала 1%
Конденсаторы с точностью 5%
Компоненты с максимально стабильными сопротивлением и ёмкостью
Обычно для изготовления дифференциального фильтра применяют конденсаторы с малыми потерями: традиционные плёночные или полифениленсульфидные (PPS). Резисторы должны быть металлопленочными (в корпусе MELF или выводном) либо тонкопленочными. Композитные толстоплёночные резисторы использовать нежелательно, так как они обладают высоким уровнем собственных шумов.
Установка конденсатора C2 с ёмкостью, в 10 раз превышающей номиналы C1a и C1b, помогает смягчить негативный эффект несогласованности номиналов плеч моста. При таком соотношении ошибка подавления синфазной помехи, вызванная несоответствием C1a и C1b, уменьшается минимум в те же 10 раз.
