Калькулятор инструментального усилителя

Как пользоваться

1. Усилитель. INA128, INA129 (TI) и AD620, AD8221 (ADI) — для питания до ±18 В, INA333 и AD623 — для однополярного питания 1,8…5,5 и 2,7…12 В. Для каждой микросхемы есть марки: в скобках у INA128 P/U — точнее PA/UA, у AD620 и AD623 — B точнее A, у AD8221 — BR точнее AR. «Свой на трёх ОУ» — дискретная схема с вашими резисторами и ОУ.
2. Усиление и RG. Калькулятор рассчитает RG, выберет из двух соседних значений ряда то, с которым усиление ближе к заданному, и покажет получившееся усиление. Допуск RG входит в погрешность усиления: в таблицах даташитов его нет.
3. Питание и REF. Для однополярного питания V− = 0. Напряжение на REF сдвигает выход: Uвых = G·Uдиф + UREF.
4. Входной сигнал. Дифференциальный — заданы диапазоны синфазного напряжения и разности входов (мост, питаемый от того же источника). «−IN фиксирован» — второй вход на постоянном потенциале, как у термопары с заземлённым минусом или шунта: тогда синфазное напряжение меняется вместе с сигналом. «+IN фиксирован» — наоборот, например шунт в плюсовом проводе.
5. Своя схема. Для схемы на трёх ОУ задайте RF (резисторы обратной связи входных ОУ), резисторы вычитателя R1 и R2 и то, насколько вход и выход ваших ОУ не доходят до шин питания.

Результат — RG, усиление, диапазон выхода, проверка напряжений и таблица погрешностей. Ниже — допустимая область (diamond plot) с рабочей областью вашей схемы и схема усилителя.

Как считается

Усиление. У монолитных усилителей G = 1 + K/R_G, где K — сумма двух внутренних резисторов обратной связи входных ОУ (TI SBOS051G, разд. 8.2.2.1; ADI AD8221, с. 17). Внутренние резисторы подогнаны лазером, поэтому точность и температурный дрейф RG напрямую становятся погрешностью усиления. Схема на трёх ОУ (ADI, «A Designer's Guide to Instrumentation Amplifiers», с. 2-3):

Синфазное напряжение проходит входной каскад с единичным усилением и вычитается в выходном, поэтому при большом усилении первого каскада подавление синфазного сигнала растёт (там же).

Допустимые напряжения (ADI AN-1401). Синфазное напряжение U_сф = (U_+IN + U_−IN)/2, разностное U_диф = U_+IN − U_−IN. Калькулятор проверяет:

• выход G · U_диф + U_REF — в пределах размаха выхода из даташита;
• каждый вход U_сф ± U_диф/2 — в пределах диапазона входного напряжения;
• выходы входных ОУ A1 и A2 U_сф ± G₁U_диф/2 (G1 — усиление первого каскада) — в пределах их размаха;
• в схеме на трёх ОУ — вход вычитателя: делитель между выходом A2 и выводом REF.

Все ограничения линейны по Uсф и Uвых, поэтому допустимая область — выпуклый многоугольник, а рабочая область целиком внутри него, если внутри все её углы. На графике по горизонтали — выходное напряжение, по вертикали — синфазное, как в AN-1401.

Только AD623 даёт пределы внутренних узлов формулами: выходы A1 и A2 находятся на уровне U_сф + 0,6 В ± U_диф · G/2 и доходят примерно до 10 мВ над −VS и 100 мВ под +VS (AD623, с. 28). Для остальных микросхем в даташитах есть только графики Uсф–Uвых, и калькулятор считает, что входные ОУ доходят до шин так же, как выходной. Это оценка — она помечена в результате, а сверять её нужно с графиком из даташита (INA128 — рис. 6-9 и 6-10, INA333 — рис. 20–23, AD8221 — рис. 8 и 9).

Погрешность приводится ко входу (RTI), при 25 °C (ADI, guide, с. 5-11, A-4):

• смещение U_OSI + U_OSO/G; на выходе — в G раз больше;
• ошибка усиления из таблицы, умноженная на полный размах входного сигнала, и отдельно — вклад допуска RG: $\frac{G-1}{G} \cdot \delta_{R_G}$;
• синфазная ошибка ΔU_сф/10^КОСС/20, где ΔUсф — отклонение синфазного напряжения от середины питания, при которой нормировано смещение.

Типовые и предельные значения складываются отдельно: максимум — худший случай с допуском RG, типовое — сумма типовых значений таблицы. Таблицы дают ошибку усиления и КОСС для G = 1, 10, 100 и 1000. Если усиление отличается от табличного не больше чем на 5 % (стандартный RG даёт, например, 9,998 вместо 10), берётся строка этого усиления; между строками — худшее из двух соседних значений. У INA128/129 две колонки площадок производства — берётся худшая колонка целиком; у AD620 ниже ±15 В выходное смещение берётся из строки ±5 В (1500 мкВ у марки A). Если у марки нет типового значения (у AD8221 его нет совсем), сумма типовых не считается. Дрейф с температурой, шум, нелинейность и входной ток в таблицу не входят.

Пример: мост на 5 В с INA333

Значения по умолчанию: тензомост питается от 5 В, значит синфазное напряжение на входах — 2,5 В, а сигнал — до ±10 мВ. INA333 питается от тех же 5 В, REF подключён к 2,5 В, нужно усиление 100.

1. RG = 100 кОм / 99 = 1010 Ом. Из ряда E96 калькулятор выбирает 1,02 кОм: G = 99,04 (−0,96 %); соседний 1,00 кОм дал бы 101 (+1 %). В таблице TI для G = 100 указан 1 кОм — значение, которое есть во всех рядах.
2. Выход: 2,5 ± 0,99 В, то есть 1,51…3,49 В — внутри размаха 0,05…4,95 В. Входы и выходы A1, A2 тоже в норме.
3. Погрешность, приведённая ко входу, в худшем случае — 60,7 мкВ: смещение 25 + 75/99 = 25,8 мкВ, ошибка усиления 0,25 % от 10 мВ = 25 мкВ, допуск RG 0,1 % — 9,9 мкВ. Синфазной ошибки нет: синфазное напряжение равно середине питания. Типовая сумма — 17,3 мкВ.

Если подключить REF к общему проводу, выход должен уйти до −0,99 В — ниже нижней шины. Калькулятор покажет, что рабочая область вышла за допустимую по выходу.

Пример ADI: смещение AD620A при G = 10

ADI разбирает в руководстве по инструментальным усилителям (с. 5-12) смещение AD620A: входное 30 мкВ, выходное 400 мкВ (типовые значения). При G = 10 это 30 + 400/10 = 70 мкВ, приведённых ко входу, или 10 · 30 + 400 = 700 мкВ на выходе. Калькулятор считает так же, но показывает и предельные значения: 125 + 1000/10 = 225 мкВ.

Синфазная ошибка того же усилителя: при G = 10 у AD620A КОСС не меньше 93 дБ, типовой — 110 дБ. Синфазное напряжение 10 В при питании ±15 В даёт до 10 В / 10^(93/20) = 224 мкВ, приведённых ко входу, и типично 32 мкВ — больше, чем смещение.

Пример: AD623 рядом с общим проводом

AD623 допускает входы до 0,15 В ниже −VS, и его часто ставят на однополярное питание с сигналом около нуля. Но выходы A1 и A2 сдвинуты вверх на 0,6 В и не опускаются ниже примерно 10 мВ над −VS. Отсюда наибольшее усиление при синфазном напряжении 0 В: G ≤ 2(U_сф − (−V_S) + 0,59 В)/U_диф (AD623, с. 28). Для сигнала ±10 мВ это 118 — так и в табл. 10 даташита. Если ввести в калькулятор G = 118, он выберет из ряда E96 резистор 845 Ом (G = 119,3 — ближе к заданному) и покажет, что выходы A1 и A2 упираются в нижнюю шину: каждый из них при одной из полярностей сигнала. Резистор 866 Ом, как в таблице ADI, даёт G = 116,5 и укладывается в предел: при работе у границы округлять RG нужно в сторону меньшего усиления.

Схема на трёх ОУ

Свой инструментальный усилитель собирают из двух ОУ на входе и дифференциального усилителя на выходе. Калькулятор считает RG по формуле R_G = 2R_F/(G/G_d − 1), где G_d = R₂/R₁ — усиление вычитателя, и проверяет напряжения на всех трёх ОУ, включая вход вычитателя. ADI показывает, как на усилении 1000 при сигнале 10 мВ выходы входных ОУ уходят на ±5 В от синфазного уровня: при питании ±15 В и запасе ОУ около 2 В синфазное напряжение может быть не больше примерно 8 В вместо 12 В (guide, с. 2-3…2-4, рис. 2-5).

Подавление синфазного сигнала такой схемы определяет точность резисторов вычитателя: при резисторах 1 % и Gd = 1 КОСС самого вычитателя — всего около 34 дБ (оценка по формуле из статьи «Операционный усилитель»); у всего усилителя он больше на усиление первого каскада, 20·lg G1, потому что синфазный сигнал проходит входной каскад с единичным усилением. Поэтому для точных измерений берут монолитный усилитель с подогнанными резисторами, а дискретную схему калькулятор считает только по напряжениям, без таблицы погрешностей.

Типичные ошибки

• Нет пути для входного тока. Входы инструментального усилителя потребляют ток, и ему нужен путь на общий провод. Изолированная термопара, трансформатор или вход через конденсатор без резисторов на общий провод оставляют входы «висеть», и выход уходит к шине (AD8221, с. 19; guide, с. A-4).
• Высокоомный источник на REF. Выходное напряжение отсчитывается от REF через внутренний резистор вычитателя, и сопротивление источника нарушает баланс: у INA128 8 Ом снижают КОСС до 80 дБ при G = 1 (SBOS051G, разд. 8.2). REF подключают напрямую к общему проводу или к выходу ОУ-повторителя.
• Проверили только вход и выход. Входы в своём диапазоне, выход в своём, а усилитель всё равно в ограничении: упёрся выход A1 или A2. Именно это показывает diamond plot. Особенно опасны большое усиление вместе с синфазным напряжением у шины питания.
• REF на общем проводе при однополярном питании. Тогда выход может только расти от нуля, а отрицательная половина сигнала теряется у нижней шины. REF подключают к середине питания или к опорному напряжению АЦП.
• RG на панельке или длинном проводе. При усилении 100 и больше RG — единицы и десятки ом, и сопротивление контактов становится заметной частью RG (SBOS051G, разд. 8.2.2.1). Калькулятор предупреждает, если RG меньше 10 Ом.

Расчёт усилителя на одном ОУ — в калькуляторе усилителя на ОУ, подбор шунта для измерения тока — в калькуляторе токового шунта. Определения: мост Уитстона, КОСС, синфазный диапазон, напряжение смещения.