Инструментальный усилитель

УДК 621.38(06) Электроника в атомной технике
П.Б. ТКАЧЕНКО
Научный руководитель – Э.В. АТКИН, к.т.н., доцент
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
Рассмотрены и проанализированы два вида реализации схем инструментального усилителя. Представлена схема операционного усилителя с малым потреблением типа rail-to-rail, где входные и выходные сигналы
могут меняться по величине от нижней шины питания до верхней шины питания. Приведенные результаты
исследований и моделирования войдут в материал дипломного проекта на тему “Инструментальный усилитель”.
На рис.1 представлена классическая схема инструментального усилителя (ИУ), построенного на трех
операционных усилителях (ОУ). При действии на входах ИУ дифференциальных сигналов, сигналы обратных связей, учитывая их противоположные фазы, взаимно вычитаются в точке, делящей условно резистор
RKu пополам (виртуальная земля).
Действие входного синфазного сигнала (сигнала общей помехи) приводит к тому, что сигналы по цепям
ОС входных ОУ на сопротивлении RKU повторяют амплитуду и фазу данного синфазного (СФ) сигнала и
передают в режиме повторителя напряжения на входы выходного ОУ. При этом входные дифференциальные сигналы усиливаются с коэффициентом KU.ДУ=1+2ROC/RKu. Это обеспечивает возрастание отношения
сигнал-помеха при увеличении коэффициента усиления ИУ. Подавление СФ-сигнала обеспечивается схемой
ДУ [1].
Рис. 1. ИУ на трех ОУ
Рис. 2. ИУ с токовым конвейером
Однако в этой схеме ИУ невозможно использовать низкое напряжение питания и обеспечить высокое
подавление СФ составляющей. В схеме были необходимы ОУ с низким выходным импедансом, чтобы подобрать резисторы в ОС, которые обеспечат большие токи и перенос большой части энергии. Эти резисторы
должны быть согласованы между собой, чтобы обеспечить высокий коэффициент подавления СФ составляющей сигнала.
Для решения этих проблем созданы токовые конвейеры. На рис.2 представлена схема ИУ с токовым конвеером второго поколения. Это позволяет достигать высокого коэффициента подавления СФ сигнала в широкой полосе частот, при этом не требуется точной подстройки резисторов в схеме [2].
Основной составляющей схемы ИУ является операционный усилитель, поэтому была промоделирована
схема ОУ типа rail-to-rail с малым потреблением (Рис.3), схемы отдельных каскадов которой подробно рассмотрены в [3]. Проектирование проводилось с помощью современной системы автоматизированного проектирования IC Package 6.1.4. компании Cadence Design Systems. Использовалась библиотека элементов
кремний-германиевой Би-КМОП технологии 0,35 мкм австрийской компании AMS (Austria Micro Systems).
Рис. 3. Принципиальная схема операционного усилителя с малым потреблением
Представленные в данной статье выводы по реализации ИУ и схема ОУ легли в основу дипломного проекта на тему “Инструментальный усилитель”.
УДК 621.38(06) Электроника в атомной технике
Список литературы
1.Матавкин. В. Инструментальные усилители// Инженерная микроэлектроника.-2005.-№1.-С.16-20.
2.Almazan S.P., Alunan L.I. Monolithic CMOS Current-Mode Instrumentation Amplifiers for ECG/13th
International Conference on Biomedical Engeneering//IFMBE Proceedings.-2008.-Vol.23.-№1.-PP.846-850.
3.Huijsing J.H. Operational amplifiers theory and design// Dordrecht: Kluwer.- 2001.-484p.