تقویت کننده های ابزار دقیق (INAs) به طور گسترده برای تبدیل سیگنال در سیستم های نمونه برداری داده و تله متری (telemetry) استفاده می شوند. ورودی های مختلف ، امپدانس ورودی و بهره بالا گزینه های ایده آلی برای افزایش خروجی سنسورها ی با دامنه کم مانند ترموکوپل ها و فشار سنج ها هستند.
این مقاله قصد دارد منطقه عملیاتی خطی یک تقویت کننده ابزار دقیق را مورد بررسی قرار داده و توضیح دهد که چگونه میتوان آن را توسط ولتاژ ورودی مشترک common-mode و نمودار ولتاژ خروجی تعریف کرد.
اصول مبانی تقویت کننده ابزار دقیق
همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است بیشتر تقویت کننده های ابزار دقیق از 3 آپ امپ به هم متصل شده تشکیل شده اند. آپ امپ 1 و 2 بهره و امپدانس ورودی بالا را تامین میکنند، در حالی که آپ امپ 3 یک تقویت کننده تفاضلی است. همچنین این آپ امپ ها به همراه تعدادی مقاومت درون یک آی سی به صورت مجتمع پیاده سازی شده اند.
تمامی مقاومت های آپ امپ های تفاضلی معمولا از مقدارهای یکسانی تشکیل شده اند که در این مرحله بهره 1 بدست می آید. در مرحله ورودی از بازخورد مقاومت های RF و مقاومت ورودی RG استفاده میشود. مقاومت RG که تعیین کننده بهره است در خارج از آی سی قرار می گیرد. این بهره توسط معادله زیر بدست می آید:
A = (2RF/RG) +1
خروجی را نیز می توان توسط معادله زیر بدست آورد:
VOUT = A(V2 – V1) + VREF
V1 و V2 ولتاژهای ورودی هستند. در صورتی که تنها یک منبع تغذیه در مدار وجود داشته باشد VREF در مرکز خروجی استفاده میشود در غیر اینصورت به VOUT متصل خواهد شد. مقاومت RG کوچک در مقایسه با RF منجر به بهره بسیار بالایی میشود، که امکان اندازه گیری سیگنال های سنسور در اندازه های میکرو و میلی ولت را فراهم میکند. بهره 1000 و یا بیشتر از آن مقدارهایی معمول برای بهره خواهند بود. از ویژگی های کلیدی یک تقویت کننده ابزاردقیق، پیکر بندی تفاضلی آن به عنوان ابزاری است برای حذف نویز و یا دیگر سیگنال های ناخواسته که به صورت مشترک در هر دو ورودی تقویت کننده وجود دارند. مشکل غالب شامل یک نویز با فرکانس 50-/60-Hz است که از خطوط برق به مدار نشت می کند، م در هر دو ورودی تقویت کننده وجود دارد. اثر این نویز در ورودی های common-mode به طور موثری تضیف شده و کاهش خواهد یافت به نحوی که سیگنالهای ضعیف تر ورودی کمترین تاثیر را خواهند پذیرفت.
common-mode rejection ratio (CMRR) نشان می دهد که چگونه سیگنال های مشابه در common-mode به خوبی حذف می شوند.
CMRR به عنوان نسبت بهره تفاضلی A به بهره common-mode ،ACM به صورت زیر تعریف می شود:
CMRR = A/ACM
common-mode rejection ویا (CMR) یک تقویت کننده معمولا در واحد دسی بل بیان می شود:
(CMRR = 20*log (CMRR
با کیفیت ترین تقویت کننده های ابزار دقیق یا INAs، یک CMR در محدوده 80dB تا 130dB دارند. میزان کیفیت یک تقویت کننده به میزان همسان بودن ورودی های تقویت کننده و میزان دقت مقاومت ها درتقویت کننده تفاضلی است. برای بدست آوردن یک CMRR بالا به مقاومتهایی با تلورانس 0.01% یا بهتر مورد نیاز است.
CMRR معمولا با فرض ورودی های DC بیان می شود. برای ورودی های AC باتوجه به فرکانس ورودی و پارامترهای خازنی مدار، CMRR کاهش خواهد یافت.
مفهوم نمودار های VCM در مقابل VOUT
رایج ترین موضوع در هنگام کار کردن با تقویت کننده های ابزار دقیق شامل نمودار VCM در مقابل VOUT می باشد که منطقه عملیات خطی یک دستگاه را تعریف می کند.
این نمودار با تنظیم اندازه گیری نشان داده شده در شکل 3، که نیاز به دو عدد منبع ولتاژ دقیق و دو عدد مولتی متر دیجیتال دقیق (DMMs) دارد، طراحی شده است. ولتاژ تفاضلی (Vdif) به صورت زیر تعریف می شود:
VDIF = V2 – V1
همچنین ولتاژ common-mode) VCM) نیز به صورت زیر محاسبه می شود:
VCM = VCM – VDIF/2
عامل VDIF/2 در معادله به دلیل تفاوت بین مدل تجزیه و تحلیل ریاضی و تنظیم اندازه گیری هر چه بیشتر عملی در شکل 3 با VCM متصل شده در یک ورودی است. این مدل ریاضی معمولا نشان دهنده VDIF به عنوان دو منبع برابر در VDIF/2 است (شکل 4). این دو مدل با هم برابر هستند.
با توجه به شکل 2 و با فرض ولتاژ ±2.5-V در INA باید توجه داشته باشید که تنها زمانی نوسان خروجی کامل ±2.4 V در دسترس است که ولتاژ common-mode صفر باشد. با ولتاژ common-mode به اندازه 2-V ، نوسان ولتاژ خروجی بین 0.8 V+ و 0.8 V – خواهد بود.