Применение в измерениях
Одно из применений этих схем – измерение сигналов датчиков и преобразователей. Инструментальные усилители превосходно извлекают очень слабые сигналы из шумной среды; поэтому они часто используются в схемах, в которых используются датчики, измеряющие физические параметры. Для измерения давления тензодатчики часто используются с инструментальными усилителями, поскольку тензодатчики обычно «висят в воздухе», то есть они не имеют прямого соединения с землей. А инструментальный усилитель может усиливать сигналы без привязки к земле, потому что он усиливает только разницу между двумя входами. Тензодатчики часто используются в схеме моста Уитстона, который является очень распространенным примером формирования дифференциального сигнала без привязки к земле; данная схема изображена ниже, где R2 – изменяющийся элемент, создающий дифференциальное напряжение между узлами C и B.
Рисунок 3 – Мост Уитстона
Со схемой инструментального усилителя можно работать практически с любым датчиком; термопары, фотодиоды, термисторы, даже обычный кремниевый диод можно использовать в качестве простого датчика температуры, поместив его в схему моста, создающую входной сигнал для инструментального усилителя. Когда диод нагревается, прямое напряжение падает, создавая дифференциальный сигнал, который можно усилить. Причина, по которой схема моста так важна для датчиков и приборов, – это синфазный шум; схема с обычным операционным усилителем и датчиком на его входах будет работать как усилитель, но будет очень шумной. По этой причине инструментальные усилители так часто используются перед входами АЦП. Любой PIC-контроллер или Arduino имеет входы, которые можно настроить как аналоговые входы, но это несимметричные входы, которые не могут ослаблять синфазные сигналы. Инструментальный усилитель может извлекать и усиливать слабые сигналы датчиков из зашумленной среды и подавать чистый несимметричный выходной сигнал на АЦП
Это важно при работе с микроконтроллерами, так как любой дополнительный шум вызовет неустойчивое преобразование в дополнение к потере ценных битов АЦП
Электрический мост – основа дифференциального усилителя
Одним из условий развития современной промышленности производства является широкое внедрение и использования средств автоматики и контроля. Для этого разработано большое количество различных датчиков, которые позволяют контролировать большинство параметров технологических процессов и характеристик выходного продукта.
При современных требованиях к параметрам, выходной сигнала датчиков находится в пределах 0…20 мА, при этом колебания выходного сигнала соизмеримы с колебаниями источников питания устройств контроля (десятки мкА), а частота колебаний может составлять доли Герца. Поэтому применение обычных аналоговых усилителей весьма проблематично, вследствие того, что между каскадами усилителя обычно ставятся разделительные конденсаторы, не пропускающие постоянной составляющей сигнала. Кроме того конденсаторы вносят искажение в выходной сигнал.
Выходом из сложившейся ситуации является использование усилителей выполненных по так называемым балансным (балансно-разностным) схемам. Работа данных схем основана на электрическом мосту с симметричными плечами
Электрический мост с симметричными плечами.
Работа моста описывается следующим выражением
Таким образом, если выполняется данное условие, то при изменении напряжения питания ток в нагрузке остается равным нулю.
E13005-250 Datasheet (PDF)
1.1. e13005-250.pdf Size:163K _upd
E13005-250
Pb E13005-250 Pb Free Plating Product MJE Power Transistor Product specification MJE13005 series Silicon NPN Power Transistor DESCRIPTION Silicon NPN, high power transistors in a plastic envelope, primarily for use in high-speed power switching circuits. 1. B 2. C 3. E Absolute Maximum Ratings ( Ta = 25℃ ) Parameter Value Unit l Collector-Base Voltage VCBO 70
2.1. e13005-225.pdf Size:162K _upd
E13005-225
Pb E13005-225 Pb Free Plating Product MJE Power Transistor Product specification MJE13005 series Silicon NPN Power Transistor DESCRIPTION Silicon NPN, high power transistors in a plastic envelope, primarily for use in high-speed power switching circuits. 1. B 2. C 3. E Absolute Maximum Ratings ( Ta = 25℃ ) Parameter Value Unit l Collector-Base Voltage VCBO 70
3.1. mje13005-k.pdf Size:393K _utc
UNISONIC TECHNOLOGIES CO., LTD MJE13005-K NPN SILICON TRANSISTOR NPN SILICON POWER TRANSISTORS ? DESCRIPTION These devices are designed for high-voltage, high-speed power switching inductive circuits where fall time is critical. They are particularly suited for 115 and 220 V SWITCHMODE. ? FEATURES * VCEO(SUS)= 400 V * Reverse bias SOA with inductive loads @ TC = 100°С * Indu
Электрические характеристики
Данные в таблице действетельны при температуре среды Ta = 25°C.
| Характеристика | Обознач. | Параметры при измерениях | Значения |
|---|---|---|---|
| Ток коллектора выключения, мкА | ICBO | UCB = 30 В, IE = 0 | ≤ 0,1 |
| Ток базы выключения, мкА | IEBO | UEB = 5 В, IC =0 | ≤ 10 |
| Напряжение насыщения коллектор-эмиттер, В * | UCE(sat) | IC = 0,5 А, IB = 0,05 А | 0,5 |
| Напряжение включения база-эмиттер, В * | UBE(ON) | IC = 0,5 А, UCE = 2,0 В | 1 |
| Рабочее напряжение коллектор-эмиттер, В * | UCEO(sus) | IC = 0,03 А, IB = 0 | 80 |
| Статический коэффициент усиления по току * | hFE(1) | UCE = 2 В, IC = 0,005 А | ≥ 25 |
| hFE(2) | UCE = 2 В, IC = 0,15 А | от 40 до 250 | |
| hFE(3) | UCE = 2 В, IC = 0,5 А | ≥ 25 |
٭ — Характеристики сняты в импульсном режиме: ширина импульса ≤ 300 мкс, коэффициент заполнения ≤ 1,5 %.
Классическая схема дифференциального усилителя на ОУ
Коэффициент усиления такой схемы равен К=R2/R1. Для обеспечения высокого значения КОСС необходимо обеспечить точное согласование резисторов. Для этого желательно применение резисторов точностью 0.01%.
Резисторы такой точности достаточно дороги, и не всегда их можно найти в продаже. Поэтому при первой возможности лучше закупить 100 кОм резисторы указанной точности для применения в подобных схемах.
Если все резисторы будут одного номинала, что вполне допустимо, то коэффициент усиления дифференциального усилителя будет равен 1. Дальнейшее усиление при необходимости можно произвести дополнительными каскадами, зато наличие синфазной помехи было уже устранено.
INA
INA с тремя операционными усилителями основана на трех операционных усилителях, как показано на картинке ниже. Можно заметить, что задняя половина этой схемы идентична разностному усилителю, который обсуждался ранее. Добавление двух буферов операционных усилителей на входе схемы обеспечивает источник с высоким и хорошо согласованным импедансом. Это устраняет одну из основных проблем, связанных с простой дифференциальной схемой. Дифференциальный усилитель на конце обеспечивает подавление синфазной составляющей.
Традиционная измерительная схема на 3 ОУ
В этой конфигурации коэффициент усиления схемы устанавливается через значение резистора, обозначенного RG. Если посмотреть на входной каскад, состоящий из двух операционных усилителей, любой синфазный сигнал усиливается только с единичным усилением, независимо от дифференциального усиления (установленного RG) в первых двух усилителях. Следовательно, эта схема может работать в широком диапазоне синфазных сигналов (ограниченном запасом мощности первых двух усилителей), независимо от коэффициента усиления. Это преимущество перед рассмотренными ранее двумя операционными усилителями INA. Затем дифференциальный усилитель удалит все синфазные компоненты. Подобно предыдущим архитектурам, которые обсуждались, эффективность подавления синфазного сигнала зависит от согласования соотношения резисторов, как показано ниже:
Где: Rt = полное несовпадение пар резисторов
Из-за того, что синфазный компонент всегда видит единичное усиление, подавление синфазного сигнала инструментального усилителя с тремя операционными усилителями будет увеличиваться пропорционально величине дифференциального усиления.
На этой принципиальной схеме основаны несколько монолитных инструментальных усилителей. Монолитное решение предлагает очень хорошо согласованные усилители, а возможность использования подстроечных резисторов обеспечивает хорошее подавление синфазного сигнала и точность усиления. В последнее время монолитные инструментальные усилители внесли дополнительные улучшения в эту базовую архитектуру. Например, топологии с токовым режимом устраняют необходимость в прецизионном согласовании резисторов для достижения высокого подавления синфазного сигнала. В любом случае дискретное решение, использующее операционные усилители и дискретные компоненты, обычно будет более дорогостоящим и приведет к снижению производительности.
Электрические параметры
В следующей таблице приведены основные параметры, используемые при расчете электрических схем.
Обратный ток коллектора – обратный ток коллекторногоперехода при свободном (не подключенном никуда) эмиттере. Его наличие приводит к нагреву транзистора. С увеличением температуры быстро растет.
Коэффициент усиления по току – отношение величин коллекторного и базового токов при активном режиме. Его величина определяет способность транзистора к усилению сигналов.
Напряжения насыщения – величина напряжений на p-n переходах транзистора, который находится в состоянии насыщения, то есть оба перехода смещены в прямом направлении (открыты). Такое состояние прибора используется в ключевых схемах.
Граничная частота – частота сигнала, при которой hFE транзистора падает до 1. Обычно приемлемой для работы считается частота 0,1 fT.
Выходная и входная емкости – эквивалентные емкости, являющиеся суммой емкостей Скб и Сбэ. Их величина существенна при работе с сигналами высокой частоты и в переключателях.
Коэффициент шума – отношение полной мощности шумов на выходе к ее части, вызываемой тепловыми шумами генератора шума. Параметр играет роль в случае необходимости усиления слабых сигналов. RG – выходное сопротивление источника сигнала.
| Обозначение | Параметр | Условия измерений | Значение | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Мин. | Тип. | Макс. | ||||
| ICBO | Обратный ток коллектора, nA | VCB =30В, IE =0 | 15 | |||
| hFE (h21) | Коэффициент усиления | VCE =5В, IC =2мА | 110 | 800 | ||
| VCE(sat) (UBEsat) | Напряжение насыщения к-э, мВ | IC=10 мA, IB =0,5мA | 90 | 250 | ||
| IC=100 мA, IB =5мA | 200 | 600 | ||||
| VBE(sat) (UBEsat) | Напряжение насыщения б-э, мВ | IC =10 мA, IB =0,5мA | 700 | |||
| IC =100 мA, IB =5мA | 900 | |||||
| VBE (UBE) | Напряжение б-э (прямое), В | VCE =5 В, IC =2 мA | 580 | 660 | 700 | |
| VCE =5 В, IC =10 мA | 720 | |||||
| fT | Граничная частота, МГц | VCE =5В, IC =10мA, f=100 MГц | 300 | |||
| Cob | Выходная емкость, пФ | VCB =10В, IE =0, f= 1MГц | 3,5 | 6 | ||
| Cib | Входная емкость, пФ | VEB =0,5В, IС =0, f= 1MГц | 9 | |||
| NF (F) | Коэффициент шума, дБ | ВС546-548 | VCE =5В, IC =0,2мA, RG=2кОм, f= 1кГц, Δf=200Гц | 2 | 10 | |
| ВС549, 550 | 1,2 | 4 | ||||
| ВС549 | VCE =5В, IC =0,2мA, RG=2кОм, f= 30-15000 Гц | 1,4 | 4 | |||
| ВС550 | 1,4 | 3 |
Примечания:
- Измерение параметров проводилось при температуре окружающей среды 25° С. Предельно допустимые значения указаны для тех же условий.
- В первом столбце обеих таблиц в скобках указаны обозначения, принятые в соответствии с ГОСТ 15172-70.
Обратная связь ОУ
Как я уже упоминал операционные усилители почти всегда используют с обратной связью (ОС). Но что представляет собой обратная связь и для чего она нужна? Попробуем с этим разобраться.
С обратной связью мы сталкиваемся постоянно: когда хотим налить в кружку чая или даже сходить в туалет по малой нужде Когда человек управляет автомобилем или велосипедом то здесь также работает обратная связь. Ведь для того, чтобы ехать легко и непринужденно мы вынуждены постоянно контролировать управление в зависимости от различных факторов: ситуации на дороге, технического состояния средства передвижения и так далее.
Если на дороге стало скользко ? Ага мы среагировали, сделали коррекцию и дальше двигаемся более осторожно. В операционном усилителе все происходит подобным образом
В операционном усилителе все происходит подобным образом.
Без обратной связи при подаче на вход определенного сигнала на выходе мы всегда получим одно и тоже значение напряжения. Оно будет близко напряжению питания (так как коэффициент усиления очень большой). Мы не контролируем выходной сигнал. Но если часть сигнала с выхода мы отправим обратно на вход то что это даст?
Мы сможем контролировать выходное напряжение. Это управление будет на столько эффективным, что можно просто забыть про коэффициент усиления, операционник станет послушным и предсказуемым потому что его поведение будет зависеть лишь от обратной связи. Далее я расскажу как можно эффективно управлять выходным сигналом и как его контролировать, но для этого нам нужно знать некоторые детали.
Положительная обратная связь, отрицательная обратная связь
Да, в операционных усилителях применяют обратную связь и очень широко. Но обратная связь может быть как положительной так и отрицательной. Надо бы разобраться в чем суть.
Положительная обратная связь в операционниках применяется не так широко как отрицательная. Более того положительная обратная связь чаще бывает нежелательным побочным явлением некоторых схем и положительной связи стараются избегать. Она является нежелательной потому, что эта связь может усиливать искажения в схеме и в итоге привести к нестабильности.
С другой стороны положительная обратная связь не уменьшает коэффициент усиления операционного усилителя что бывает полезно. А нестабильность также находит свое применение в компараторах, которые используют в АЦП (Аналого-цифровых преобразователях).
А вот отрицательная обратная связь просто создана для операционных усилителей. Несмотря на то, что она способствует некоторому ослаблению коэффициента усиления, она приносит в схему стабильность и управляемость. В результате схема становится независимой от коэффициента усиления, ее свойства полностью управляются отрицательной обратной связью.
При использовании отрицательной обратной связи операционный усилитель приобретает одно очень полезное свойство. Операционник контролирует состояния своих входов и стремится к тому, потенциалы на его входах были равны. ОУ подстраивает свое выходное напряжение так, чтобы результирующий входной потенциал (разность Вх.1 и Вх.2) был нулевым.
Подавляющая часть схем на операционниках строится с применением отрицательной обратной связи! Так что для того чтобы разобраться как работает отрицательная связь нам нужно рассмотреть схемы включения ОУ.
Насыщение выхода инвертирующего усилителя
Давайте представим себе такую ситуацию. У нас входное переменное напряжение амплитудой 1 В. Коэффициент усиления 50. По нашим расчетам на выходе мы должны получить сигнал амплитудой 50 В. Но как мы получим 50 В, если питание нашего усилителя, допустим, +-15 В? Усиленный сигнал, амплитудой больше чем 15 В, мы получить не сможем. Хотя типичное падение напряжения во внутренних цепях реальных ОУ составляет около 0,5-1,5 В. То есть максимальный размах сигнала, который мы можем получить в данном случае на выходе будет 27-29 Вольт.
Хотя в настоящее время есть ОУ, которые все-так позволяют получать на выходе +-Uпит. Такое свойство некоторых ОУ называется Rail-to-Rail. В дословном переводе “от рельса до рельса” или “от шины до шины”. Есть такие параметры, как Rail-to-Rail по входу (Rail-to-Rail input). Здесь на вход мы можем подавать сигналы вплоть до Uпит ОУ. Иногда в даташите оговаривается, с отрицательной или положительной шины питания можно подходить к этому параметру. Есть также есть Rail-to-Rail output. Здесь на выходе мы можем получить напряжение +-Uпит. Если усиленный сигнал на выходе не вписывается в такой диапазон, то он будет срезаться. Такое свойство ОУ называется насыщением выхода. То есть надо всегда помнить, что если амплитуда сигнала будет превышать +-Uпит усилителя, то такой сигнал на выходе будет срезан по этому уровню.
Продемонстрируем это в симуляторе Proteus. Итак, давайте на вход подадим синусоидальный сигнал амплитудой в 1 В, а коэффициент усиления сделаем 20, подобрав нужные резисторы. То есть по нашим расчетам мы должны получить синус с амплитудой в 20 Вольт. Смотрим осциллограмму
Подавали на вход синусоиду, а получили на выходе синусоиду с обрезанными верхушками и амплитудой в 14 В. Одна клеточка в данном случае – это 2 В. Как вы видите,сигнал, амплитудой более чем +-Uпит мы получить не сможем. Всегда помните об этом, особенно при конструировании радиоэлектронных устройств.
Основные технические характеристики
13003 – это высоковольтный силовой транзистор, прежде всего спроектированный для работы с большими токами и пропускаемым напряжением между коллектором и базой. Высокая скорость переключений и низким временем задержки включения/выключения позволяет использовать его преимущественно в импульсных схемах с индуктивной нагрузкой.
Предельные режимы эксплуатации
13003 рассчитан на работу с большими напряжениями и токами. Так, заявленные производителями максимально допустимые характеристики постоянного рабочего напряжения достигают (VCEO) 400 вольт, а порогового (VCEV) 700 вольт. Номинальное значение постоянного коллекторного тока коллектора (IC) 1.5 A, а импульсного пиковое (ICM), как у большинства силовых транзисторов, в два раза больше 3 A. Максимальная мощность рассеивания, при этом, не должна превышать 40 Ватт.
Предельные значения для пикового тока измерены при длительности импульса в 5 мс и величине обратной скважности не более 10%
Электрические характеристики
Следует учесть, что для расчета возможности применения 13003 в своих схемах, величины предельных режимов эксплуатации обычно уменьшают на 25-30%. Это связано с тем, что они рассчитаны на работу прибора при температуре Тс=25°С. Рабочая же температура устройства будет значительно выше. Зная это, производители в электрических характеристиках на 13003, указывают параметры его использования не только при температуре Тс=25°С.
Как мы видим, в таблице электрических параметров 13003, величины напряжений насыщения и времени переключения приведены и для температуры 100 градусов. Если внимательно присмотреться, то можно увидеть, что эти значения указаны при максимальном токе коллектора IC не превышающем 1 A. А это в 1.5 раза (на 33%) меньше, приведенного значения в предельно допустимых параметрах.
Вывод
В мире системного проектирования термин «инструментарий» может иметь несколько значений. Исторически этот термин использовался для описания приложения, обычно физического явления, которое измеряется или регистрируется. Следовательно, любые операционные усилители, которые были разработаны для использования в таких приложениях, стали известны как «инструментальные усилители». Путаницу усугубляет тот факт, что реальные инструментальные усилители могут быть сконструированы с использованием операционных усилителей.
На самом деле операционные усилители и инструментальные усилители — это очень разные устройства, предназначенные для выполнения разных функций. Инструментальные усилители можно рассматривать как специализированные усилители, специально используемые для обеспечения дифференциального усиления и подавления синфазного сигнала. Как мы видели в этой статье, схемы, реализующие традиционные операционные усилители, могут быть созданы для выполнения тех же функций. Однако в большинстве случаев монолитный инструментальный усилитель обеспечивает существенно более высокий уровень производительности и надежности.
