En måleforsterker (på engelsk Instrumentation Amplifier , in-amp eller INA ) er en elektronisk enhet beregnet for behandling av svake elektriske signaler . Det finnes også i litteraturen under navnet instrumentasjonsforsterker.
Måleforsterkeren er et viktig element i kondisjoneringsdelen av en oppkjøpskjede : den tillater behandling av signaler fra målesensorer .
Det produseres vanligvis fra en eller flere operasjonsforsterkere (AOP), på en slik måte at det forbedrer deres iboende egenskaper: DC-komponent, drift, forsterkningsstøy, åpen sløyfeforsterkning, vanlig modus avvisningshastighet , inngangsimpedans.
De viktige egenskapene til en måleforsterker er de til en operasjonsforsterker .
Instrumentasjonsforsterkeren er laget av operasjonelle forsterkere (AOP) som er en forsterker med veldig stor differensialforsterkning. Den ideelle overføringsfunksjonen er skrevet:
.I virkeligheten har AOP feil: offsetstrøm og offset spenning ved inngangen, TRMC , utgangsimpedans, frekvensvariasjon av forsterkningen.
Her er en tabell som gir egenskapene til en PUD:
Eiendom | Order of magnitude |
Bipolar (LM741) |
BiFET (TL081) |
Bimos (CA3140) |
Cmos (LMC6035) |
---|---|---|---|---|---|
Forsterkning A diff = V s / (V + -V - ) | > 10 5 | 2 × 10 5 | 2 × 10 5 | 10 5 | 10 6 |
Gain G diff = 20.log (A diff ) | > 100 | 106 | 106 | 100 | 120 |
Inngangsimpedans Re (Ω) | > 10 5 | 2 × 10 6 | 10 12 | 1,5 × 10 12 | > 10 13 |
Rs utgangsimpedans (Ω) | <200 | 75 | 100 | 60 | |
Avskjæringsfrekvens f1 | 10 Hz | ~ 20 Hz | |||
Lekkasjestrømmer I + , I- | <500 nA | 80 nA | 30 pA | 10 pA | 0,02 pA |
Offset spenning Voff (mV) | <10 | 1 | 3 | 8 | 0,5 |
TRMC G diff / G mc (dB) | > 70 | 90 | 86 | 90 | 96 |
Støyspenning (nV / ) | 18 | 40 | 27 |
Hensikten med instrumentasjonsforsterkeren er å redusere disse feilene.
Den konvensjonelle differensialforsterkeren er produsert fra en operasjonsforsterker , brukt i lineær modus (tilbakemelding på utgangen på den negative inngangen, kan også være på den positive inngangen i henhold til et annet diagram).
Gevinsten av denne forsamlingen er:
Forsterkningen kan justeres av en motstand plassert mellom de vanlige punktene til de to R2-ene som tidligere var delt i to hver.
Denne monteringen brukes hovedsakelig når begrensningene for kompleksitet, pris, størrelse og lavt forbruk er viktige. I tillegg tillater denne samlingen inngangsutflukter utover forsyningsspenningen. Det har likevel visse begrensninger: TRMC av enheten tilsvarer TRMC for AOP, inngangsimpedansen er lik R1 + R2, derfor relativt lav. Denne sammenstillingen vil derfor være egnet for kilder med lav impedans, og med lav svingning av vanlig modus spenning.
Det skal også bemerkes at denne sammenstillingen er grunnlaget for alle måleforsterkere. De mer forseggjorte samlingene bruker andre AOP-er for å begrense ulempene med den klassiske differensialforsterkeren.
Gevinsten av denne forsamlingen er
3 AOP-monteringDenne monteringen er den mest brukte. Hans gevinst er
Den ideelle instrumentasjonsforsterkeren skal ha null common mode gain (uendelig TRMC). I virkeligheten, i kretsen motsatt, bestemmes verdien av denne forsterkningen av toleransene for verdiene til motstandene som gjør diagrammet asymmetrisk, og av ikke-null felles modusforsterkning av de to AOP-ene som brukes. Produksjonen av verdimatchede motstander er den viktigste begrensningen i produksjonen av instrumenteringskretser.
Instrumentasjonsforsterkere kan lages med individuelle AOP-er og presisjonsmotstander, men de er også tilgjengelige som integrerte kretsløp fra mange produsenter ( Texas Instruments , Analog Devices , Lineær teknologi , etc. ). Generelt har disse kretsene veldig god TRMC på grunn av den meget nøyaktige fremstillingen av de integrerte motstandene (laserskjæring).
Differensialforsterkeren er en ideell komponent for fasekomparatoren til den faselåste sløyfen . Faktisk er målet med en fasekomparator for en PLL å levere en feilspenning som er representativ for det parametriske skiftet til de to inngangene til komparatoren. Nå er rollen til en differensialforsterker å avvise det vanlige signalet fra inngangene for å forsterke bare differensialkomponenten; og i det foreliggende tilfellet av PLL-sløyfen representerer denne differensialkomponenten feilsignalet til fasekomparatoren beregnet på å korrigere driftene til oscillatoren VCO.
I sammenheng med VCO-oscillatorer gjør differensialspenningen fra differensialforsterkeren det mulig å forspenne varicap-dioden til VCO. En annen fordel er at VCOs egenforskyvning kan kontrolleres perfekt takket være muligheten for presis justering av BIAS-strømmen til differensialforsterkeren. Denne teknikken gjør det også mulig å redusere fasestøyen til VCO betraktelig på grunn av forstyrrelser i forspenningsstrømmen.