Синфазное напряжение: Что означает синфазное напряжение в инструментальном усилителе?

Содержание

Что означает синфазное напряжение в инструментальном усилителе?

Синфазное напряжение – это смещение напряжения, которое является «общим» как для инвертирующего, так и для неинвертирующего (т. Е. «+» И «-») входов измерительного усилителя. Инструментальный усилитель настроен как разностный усилитель, поэтому он измеряет разницу между этими двумя входами и, таким образом, отклоняет любое напряжение, общее для этих двух. Другими словами, если у вас есть два сигнала v1 (t) и v2 (t) на двух входах:

v1 (t) = f1 (t) + Vcm (t)

v2 (t) = f2 (t) + Vcm (t)

то, что будет измерять измерительный усилитель:

vo (t) = v1 (t) – v2 (t) = (f1 (t) + Vcm (t)) – (f2 (t) + Vcm (t)) = f1 (t) – f2 (t)

Обратите внимание, что Vcm (t) (синфазное напряжение, которое появляется в обоих входных сигналах) отменяется. Также обратите внимание, что это не обязательно сигнал постоянного тока, но он может изменяться со временем.

Теперь, почему мы заботимся о синфазном напряжении при выборе разностного усилителя? Как говорили другие, есть две ключевые характеристики усилителя, которые необходимо учитывать: коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR) и диапазон синфазного сигнала.

CMRR важен, потому что инструментальный усилитель не является идеальным усилителем разности. Усилитель с идеальной разностью подавляет 100% синфазного напряжения во входных сигналах и измеряет только разницу между двумя сигналами. В реальном инструментальном усилителе это не тот случай, и имеется измеряемая (хотя обычно очень и очень малая) величина синфазного напряжения на входе, которая поступает на выход.

Диапазон синфазного режима важен, потому что он ограничивает, насколько далеко от земли могут быть измеренные входные сигналы. Это предел, потому что обычно вы не можете измерить сигналы вне напряжений питания (часто называемых «рельсами») усилителя. Есть исключения из этого, но в целом напряжение каждого входного сигнала должно оставаться в пределах рельсов питания усилитель.

Таким образом, если вы снабжаете свой усилитель шинами +/- 12 В, вы не сможете измерить разницу между двумя сигналами со смещением синфазного сигнала 15 В, даже если разница между этими двумя сигналами составляет всего 20 мВ. Например, если ваши два сигнала полностью постоянны и являются:

V1 = 15 + 0,010

V2 = 15 – 0,010

Vo = V1 – V2 = 0,020

Вы не сможете измерить их, если ваш инструментальный усилитель имеет синфазный диапазон +/- 12В.

Практические аспекты ОУ. Усиление синфазных сигналов

Добавлено 2 декабря 2018 в 13:13

Сохранить или поделиться

У реальных операционных усилителей по сравнению с «идеальной» моделью есть некоторые недостатки. Реальное устройство отличается от идеального дифференциального усилителя. Один минус один может не быть нулем. Эти недостатки могут привести к незначительным ошибкам в одних приложениях и недопустимым ошибкам в других приложениях. В некоторых случаях эти ошибки могут быть компенсированы. Иногда требуется более высокое качество и более дорогостоящее устройство.

Коэффициент усиления синфазных сигналов

Как указывалось ранее, идеальный дифференциальный усилитель усиливает только разность напряжений между двумя входами. Если два входа дифференциального усилителя замкнуты вместе (таким образом, обеспечивая нулевую разность потенциалов между ними), выходное напряжение не должно никак изменяться при любой величине напряжения, прикладываемого между этими двумя замкнутыми входами и землей:

Усиление синфазных сигналов. V_вых должно оставаться неизменным, независимо от V_синф

Напряжение, которое является общим для любого из входов и землей, в данном случае V_синф, называется синфазным напряжением. Когда мы изменяем это синфазное напряжение, выходное напряжение идеального дифференциального усилителя должно быть абсолютно неизменным (не должно быть никаких изменений для любого произвольного синфазного напряжения на входе).

Это приводит к коэффициенту усиления по напряжению в синфазном режиме, равному нулю.

\[A_V = {\text{Изменение } V_{вых} \over \text{Изменение } V_{вх}}\]

… если изменение V_вых = 0 …

\[{0 \over \text{Изменение } V_{вх}} = 0\]

A_V = 0

Операционный усилитель, будучи дифференциальным усилителем с высоким дифференциальным коэффициентом усиления, в идеале должен иметь нулевой коэффициент усиления в синфазном режиме. Однако в реальной жизни это достичь нелегко. Таким образом, синфазные напряжения будут неизменно влиять на выходное напряжение операционного усилителя.

Производительность реального операционного усилителя в этом отношении чаще всего измеряется с точки зрения отношения его дифференциального коэффициента усиления (насколько он усиливает разницу между двумя входными напряжениями) к его синфазному коэффициенту усиления (насколько он усиливает синфазное напряжение). Отношение первого к последнему называется

коэффициентом ослабления синфазного сигнала (КОСС, англ. common-mode rejection ratio, CMRR):

\[CMRR = {\text{Дифференциальный }A_V \over \text{Синфазный }A_V}\]

Идеальный операционный усилитель с нулевым коэффициентом усиления в синфазном режиме будет иметь бесконечный CMRR. Реальные операционные усилители имеют высокие CMRR, у вездесущего 741 CMRR составляет около 70 дБ, что составляет немногим более 3000 в пересчете в разы.

Поскольку коэффициент ослабления синфазного сигнала у типового операционного усилителя настолько высок, синфазный коэффициент усиления обычно не вызывает большого беспокойства в схемах, где операционный усилитель используется с отрицательной обратной связью. Если синфазное входное напряжение схемы усилителя внезапно меняется, что приводит к соответствующему изменению выходного напряжения из-за синфазного коэффициента усиления, то изменение выходного напряжения будет быстро скорректировано работой отрицательной обратной связи и дифференциального коэффициента усиления (который намного больше, чем синфазный коэффициент усиления), чтобы вернуть систему в равновесие.

Разумеется, на выходе можно было бы увидеть изменения, но они были бы намного меньше, чем вы могли ожидать.

Однако следует помнить о синфазном коэффициенте усиления в схемах дифференциальных усилителей на ОУ, таких как инструментальные (измерительные) усилители. Помимо корпуса операционного усилителя и чрезвычайно высокого дифференциального коэффициента усиления, мы можем обнаружить, что синфазный коэффициент усиления вызывается разбалансом номиналов резисторов. Чтобы продемонстрировать это, мы проведем SPICE анализ инструментального (измерительного) усилителя с закороченными вместе входами (без дифференциального напряжения), подавая синфазное напряжение, чтобы увидеть, что произойдет. Сначала мы проведем анализ, показывающий выходное напряжение идеально сбалансированной схемы. Мы ожидаем увидеть отсутствие изменений в выходном напряжении при изменениях синфазного входного напряжения:

Анализ работы инструментального усилителя в синфазном режиме

instrumentation amplifier 
v1 1 0 
rin1 1 0 9e12 
rjump 1 4 1e-12 
rin2 4 0 9e12 
e1 3 0 1 2 999k 
e2 6 0 4 5 999k 
e3 9 0 8 7 999k 
rload 9 0 10k 
r1 2 3 10k 
rgain 2 5 10k 
r2 5 6 10k 
r3 3 7 10k 
r4 7 9 10k 
r5 6 8 10k 
r6 8 0 10k 
.dc v1 0 10 1 
.print dc v(9) 
.end

Результаты:

v1        v(9) 
0.000E+00 0.000E+00 
1.000E+00 1.355E-16 
2.000E+00 2.710E-16 
3.000E+00 0.000E+00
4.000E+00 5.421E-16 
5.000E+00 0.000E+00 
6.000E+00 0.000E+00  
7.000E+00 0.000E+00 
8.000E+00 1.084E-15 
9.000E+00 -1.084E-15 
1.000E+01 0.000E+00

Как вы можете видеть, выходное напряжение v(9) практически не изменяется при изменениях входного напряжения v(1) от 0 до 10 вольт.

Помимо очень небольших отклонений (фактически из-за причуд SPICE, а не реального поведения схемы), выходное напряжение остается стабильным там, где и должно быть: при 0 вольт с нулевым дифференциальным входным напряжением. Однако давайте введем в схему резисторный дисбаланс, увеличив R5 с 10000 Ом до 10500 Ом, и посмотрим, что произойдет (список соединений для краткости был пропущен – единственное, что изменилось, это значение R5):

v1        v(9) 
0.000E+00 0.000E+00 
1.000E+00 -2.439E-02 
2.000E+00 -4.878E-02 
3.000E+00 -7.317E-02 
4.000E+00 -9.756E-02 
5.000E+00 -1.220E-01 
6.000E+00 -1.463E-01 
7.000E+00 -1.707E-01 
8.000E+00 -1.951E-01 
9.000E+00 -2.195E-01 
1.000E+01 -2.439E-01

На этот раз мы видим значительное изменение (от 0 до 0,2439 вольта) выходного напряжения при изменении синфазного входного напряжения от 0 до 10 вольт, как и в прошлом эксперименте.

Разность входных напряжений по-прежнему равна нулю, но выходное напряжение значительно изменяется при изменении синфазного напряжения. Это свидетельствует о синфазном коэффициенте усиления, чего мы пытаемся избежать. Более того, этот синфазный коэффициент усиления создан нами и не имеет ничего общего с несовершенством самих операционных усилителей. Благодаря значительно уменьшенному дифференциальному коэффициенту усиления (фактически равному 3 в этой конкретной схеме) и отсутствию отрицательной обратной связи вне схемы, этот синфазный коэффициент усиления будет оставаться без контроля в схеме тракта измерительного сигнала.

Существует только один способ скорректировать этот синфазный коэффициент усиления, и он заключается в балансе значений всех резисторов. При проектировании измерительного усилителя из дискретных компонентов (а не при покупке в корпусе интегральной микросхемы) целесообразно обеспечить некоторые средства для точной подстройки, по меньшей мере, одного из четырех резисторов, подключенных к оконечному операционному усилителю, чтобы иметь возможность «отсечь/исключить» любой такой синфазный коэффициент усиления. Предоставление средств для «подстройки» резисторной цепи также имеет дополнительные преимущества. Предположим, что значения всех резисторов точно такие, какими они должны быть, но синфазный коэффициент усиления присутствует из-за несовершенства одного из операционных усилителей. При обеспечении подстройки сопротивление можно подкорректировать, чтобы компенсировать это нежелательное усиление.

Одной из особенностей некоторых моделей ОУ является защелкивание выхода, обычно вызванное синфазным входным напряжением, превышающим допустимые пределы. Если синфазное напряжение выходит за пределы, установленные производителем, выход может внезапно «защелкнуться» в высоком режиме (насыщение при полном выходном напряжении). В операционных усилителях с входами на полевых транзисторах защелкивание может произойти, если синфазное входное напряжение подходит слишком близко к отрицательному напряжению шины питания. Например, на операционном усилителе TL082 это происходит, когда синфазное входное напряжение находится в пределах около 0,7 вольта от отрицательного напряжения на шине питания. Такая ситуация может легко возникнуть в схеме с одиночным источником питания, где отрицательная шина питания является землей (0 вольт), а входной сигнал свободно колеблется до 0 вольт.

Защелкивание также может быть вызвано синфазным входным напряжением, превышающим напряжение на шине питания, отрицательной или положительной. Как правило, вы должны не позволять входному напряжению никогда ни превышать напряжение на положительной шине источника питания, ни опускаться ниже напряжения на отрицательной шине источника питания, даже если рассматриваемый операционный усилитель имеет защиту от защелкивания (такие модели операционных усилителей как 741 и 1458). По крайней мере, поведение операционного усилителя может стать непредсказуемым. В худшем случае, тип защелкивания, вызванный входными напряжениями, превышающими напряжения источников питания, может быть разрушительным для операционного усилителя.

Хотя эту проблему можно легко избежать, ее вероятность больше, чем вы думаете. Рассмотрим случай со схемой на операционном усилителе во время включения питания. Если схема получает полное напряжение входного сигнала до того, как ее собственный источник питания успел зарядить конденсаторы фильтра, синфазное входное напряжение может легко превысить напряжение на шине питания. Если операционный усилитель получает напряжение сигнала от схемы, питающейся от другого источника питания, а его собственный источник питания выходит из строя, напряжение(я) сигнала может превышать напряжение на шине питания в течение неопределенного количества времени!

Оригинал статьи:

CMRR / КОСС (коэффициент ослабления синфазного сигнала)LTspiceSPICEИзмерительный усилительИнструментальный усилительМоделированиеОбучениеОУ (операционный усилитель)Синфазные сигналыЭлектроника

Сохранить или поделиться

Диапазоны входных и выходных рабочих напряжений ОУ. Устраняем путаницу

1 июня 2018

Статья является частью руководства, посвященного практическим аспектам и особенностям проектирования электроники с использованием операционных усилителей (ОУ) – от выбора типа ОУ до тайных приемов опытного разработчика и хитростей отладки. Руководство написано Брюсом Трампом, инженером-разработчиком с почти тридцатилетним стажем, успевшим до Texas Instruments поработать в легендарной компании Burr-Brown. В настоящее время Трамп является ведущим блогером информационного ресурса Texas Instruments “E2E” по аналоговой тематике и готовит к печати книгу об операционных усилителях.

Мы будем публиковать перевод руководства Трампа на нашем сайте регулярно, дважды в месяц.

Подписаться на получение уведомлений о публикации новых глав

У разработчиков зачастую возникают вопросы по поводу допустимых значений питающих напряжений, диапазонов входных и выходных напряжений операционных усилителей (ОУ). Я попытаюсь прояснить ситуацию, чтобы устранить часто возникающую путаницу.

Во-первых, у обычного ОУ нет вывода земли. Стандартный операционный усилитель «не знает», какой потенциал считать нулевым. Таким образом, ОУ не различает, работает он с биполярным питанием (dual supply, ±) или с однополярным (single power supply). Схема будет прекрасно функционировать, пока значения питающих, а также входных и выходных напряжений будут находиться в рамках допустимых диапазонов.

Есть три наиболее важных диапазона рабочих напряжений:

Диапазон питающих напряжений (supply-voltage range) определяется как полное напряжение между выводами питания. Например, при заявленном диапазоне ±15 В полный размах напряжения составит 30 В. Диапазон рабочих напряжений питания для ОУ может быть обозначен как 6…36 В. Тогда минимальный размах напряжений составляет ±3 или +6 В. Максимальный размах будет ±18 или +36 В. Диапазон напряжений питания может составлять и вовсе 6/+30 В. И – да, несимметричное питание также может использоваться, если учесть замечания следующих пунктов.
Входное синфазное напряжение (common-mode voltage range, СМ) обычно указывается относительно значений рабочих напряжений питания, как показано на рисунке 1. В этом случае в документации используется формульная запись, например, для гипотетического ОУ с синфазным напряжением на 2 В больше отрицательного напряжения питания и на 2,5 В меньше положительного напряжения будет использована примерно такая запись: от (V-)+2 В до (V+)-2,5 В.
Диапазон выходного напряжения (output-voltage range) или размах выходного напряжения (output-swing capability) так же, как и в предыдущем случае, указывается относительно значений питающих напряжений. В приведенном примере – от (V-)+1 В до (V+)-1,5 В.

На рисунках 1, 2 ,3 представлена буферная схема повторителя напряжения с коэффициентом усиления G = 1. Ключевая особенность схемы заключается в том, что выходное напряжение усилителя на рисунке 1 будет на 2 В больше, чем значение отрицательного напряжения питания, и на 2,5 В меньше, чем значение положительного напряжения питания. Так получается из-за ограниченного значения входного синфазного напряжения CM. Вам потребуется изменить коэффициент усиления, чтобы расширить диапазон выходных напряжений до максимума.

Схема на рисунке 1 является типовой для ОУ с биполярным питанием. Однако использовать однополярное питание также возможно, если не выходить за границы разрешенных диапазонов напряжений.

Рис. 1. Диапазоны входных и выходных напряжений типового ОУ с биполярным питанием (dual supply)

На рисунке 2 представлен так называемый ОУ с однополярным питанием (single-supply op amp). Для него допустимое синфазное напряжение может быть равно размаху напряжения питания, а зачастую даже выходит за его границы. Это позволяет использовать такой ОУ в широком перечне схем, которые работают с близкими к нулю потенциалами. ОУ, который не заявлен как усилитель с однополярным питанием, на самом деле также способен работать в однополярной конфигурации в некоторых схемах, однако реальный однополярный усилитель оказывается более универсальным.

Рис. 2. Диапазоны входных и выходных напряжений типового ОУ с однополярным питанием (single-supply op amp)

В буферной схеме с коэффициентом усиления G = 1 такой ОУ обеспечивает потенциал выхода на 0,5 В выше уровня отрицательного напряжения питания за счет ограничения выходного диапазона и на 2,2 В ниже значения положительного напряжения питания за счет ограничения входного синфазного напряжения.

На рисунке 3 показан rail-to-rail ОУ. Вход rail-to-rail способен работать со входными напряжениями, равными или даже превосходящими уровни питающих напряжений. Выход типа rail-to-rail подразумевает, что выходные напряжения ОУ максимально близки к значениям напряжений питания, и обычно отличаются от них всего на 10…100 мВ. Некоторые ОУ обозначают только как усилители с выходом типа «rail-to-rail» и не упоминают о входных характеристиках, показанных на рисунке 3. Технологию «Rail-to-rail» чаще всего применяют для ОУ с однополярным питанием 5 В и ниже, чтобы максимально эффективно использовать ограниченный диапазон питающих напряжений.

Рис. 3. Диапазоны входных и выходных напряжений типового rail-to-rail ОУ

Усилители rail-to-rail весьма привлекательны благодаря менее жестким ограничениям диапазонов используемых напряжений, однако они не всегда являются оптимальным выбором. Как правило, приходится искать компромиссы с учетом значений других параметров. Именно для этого и нужны разработчики аналоговых схем.

Оригинал статьи

Список опубликованных глав
Диапазоны входных и выходных рабочих напряжений ОУ. Устраняем путаницу
Что нужно знать о входах rail-to-rail
Работа с напряжениями близкими к земле: случай однополярного питания
Напряжение смещения и коэффициент усиления с разомкнутым контуром обратной связи — двоюродные братья
SPICE-моделирование напряжения смещения: как определить чувствительность схемы к напряжению смещения
Где выводы подстройки? Некоторые особенности выводов коррекции напряжения смещения
Входной импеданс против входного тока смещения
Входной ток смещения КМОП- и JFET-усилителей
Температурная зависимость входного тока смещения и случайный вопрос на засыпку
Использование входных резисторов для устранения входного тока смещения. Действительно ли они нужны?
Использование входных резисторов для устранения входного тока смещения. Действительно ли они нужны?
Почему в схемах с ОУ возникают колебания: интуитивный взгляд на две наиболее частые причины
Приручаем нестабильный ОУ
Приручаем колебания: проблемы с емкостной нагрузкой
SPICE-моделирование устойчивости ОУ
Входная емкость: синфазная? дифференциальная? или…?
Операционные усилители: с внутренней компенсацией и декомпенсированные
Инвертирующий усилитель с G = -0,1: является ли он неустойчивым?
Моделирование полосы усиления: базовая модель ОУ
Ограничение скорости нарастания выходного сигнала ОУ
Время установления: взгляд на форму сигнала
Шум резисторов: обзор основных понятий
Шумы операционного усилителя: неинвертирующая схема
Шумы ОУ: как насчет резисторов обратной связи?
1/f-шум: фликкер-шум
ОУ, стабилизированные прерыванием: действительно ли они шумные?
Развязывающие конденсаторы: они нужны, но зачем?
Неиспользуемые операционные усилители: что с ними делать?
Защита входов от перенапряжений
Могут ли дифференциальные ограничительные диоды на входе ОУ влиять на его работу?
ОУ в режиме компаратора: допустимо ли это?

Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ

•••

Наши информационные каналы

синфазное напряжение – это.

.. Что такое синфазное напряжение?

синфазное напряжение: common-mode voltage

синфазное возбуждение
синфазные волны

Смотреть что такое “синфазное напряжение” в других словарях:

синфазное напряжение — Напряжение шума, имеющее те же значения амплитуды и фазы, что и у сигнала. Ср. differential mode . [Л.М. Невдяев. Телекоммуникационные технологии. Англо русский толковый словарь справочник. Под редакцией Ю.М. Горностаева. Москва, 2002] Тематики… … Справочник технического переводчика
синфазное напряжение — sinfazinė įtampa statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Dviejų įėjimo įtampų dalys, kurių amplitudės bei fazės yra lygios arba poliškumas būna tas pats ir kurios susidaro tarp kiekvieno įėjos gnybto ir atskaitos taško.… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas
напряжение, совпадающее по фазе — синфазное напряжение — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999] Тематики электротехника, основные понятия Синонимы синфазное напряжение EN in phase voltage … Справочник технического переводчика
напряжение синфазного сигнала — sinfazinė įtampa statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Dviejų įėjimo įtampų dalys, kurių amplitudės bei fazės yra lygios arba poliškumas būna tas pats ir kurios susidaro tarp kiekvieno įėjos gnybto ir atskaitos taško.… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas
синфазное входное напряжение (операционного усилителя) — Напряжение между любым из входов операционного усилителя и общим выводом, совпадающее по амплитуде и фазе с напряжением между другим входом и общим выводом. [ГОСТ 18421 93] Тематики аналоговая и аналого цифровая выч.техн … Справочник технического переводчика
Синфазное входное напряжение — 2.1.30. Синфазное входное напряжение VIC Среднее значение двух входных напряжений. Источник: ГОСТ 29108 91: Приборы полупроводниковые. Микросхемы интегральные. Часть 3. Аналоговые интегральные схемы … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
синфазное входное напряжение (операционного усилителя) — 34 синфазное входное напряжение (операционного усилителя): Напряжение между любым из входов операционного усилителя и общим выводом, совпадающее по амплитуде и фазе с напряжением между другим входом и общим выводом Источник: ГОСТ 18421 93:… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
LVDS — Низковольтная дифференциальная передача сигналов (англ. low voltage differential signaling или LVDS) способ передачи электрических сигналов, позволяющий передавать информацию на высоких частотах при помощи дешёвых соединений на основе… … Википедия
Gleichtakteingangsspannung — sinfazinė įtampa statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Dviejų įėjimo įtampų dalys, kurių amplitudės bei fazės yra lygios arba poliškumas būna tas pats ir kurios susidaro tarp kiekvieno įėjos gnybto ir atskaitos taško.… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas
common mode voltage — sinfazinė įtampa statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Dviejų įėjimo įtampų dalys, kurių amplitudės bei fazės yra lygios arba poliškumas būna tas pats ir kurios susidaro tarp kiekvieno įėjos gnybto ir atskaitos taško.… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas
sinfazinė įtampa — statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Dviejų įėjimo įtampų dalys, kurių amplitudės bei fazės yra lygios arba poliškumas būna tas pats ir kurios susidaro tarp kiekvieno įėjos gnybto ir atskaitos taško. atitikmenys: angl.… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

Синфазное входное напряжение – Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 2

Синфазное входное напряжение

Cтраница 2

В справочных данных приводятся предельные входное и синфазное входное напряжения – максимальные напряжения между входами в первом случае и между каждым входом и землей – во втором, при которых в усилителе не происходят необратимые изменения. Кроме того, дается диапазон синфазных входных напряжений, в котором параметры ОУ лежат в гарантированных пределах. [16]

Коэффициент ослабления синфазного сигнала ( МСф) – отношение коэффициента усиления усилителя к коэффициенту передачи синфазного сигнала. Коэффициент передачи синфазного сигнала при этом определяется как отношение изменения выходного напряжения к вызвавшему его изменению синфазного входного напряжения при постоянстве разности напряжений между входами. Коэффициент МСф иногда также называют коэффициентом режекции. [17]

Некоторые параметры ОУ являются общими с параметрами ДУ, отличаясь лишь тем, что выходные величины у ОУ измеряются между выходным и общим выводами, тогда как у ДУ эти величины измеряются между двумя дифференциальными выходными выводами. Такими параметрами являются: коэффициент усиления Ку ( от нескольких сотен до нескольких миллионов), являющийся основным параметром ОУ; коэффициент ослабления синфазных входных напряжений / Сос. ВЫх в справочных данных не приводят. [18]

В двухвходовом компараторе ( рис. 4.39, в) сравнивающие сигналы поступают на оба входа усилителя. При равенстве входных напряжений ( момент времени / i) выходное напряжение компаратора равно нулю в соответствии с принципом работы интегрального операционного усилителя. Уровень входного напряжения компаратора ограничивается допустимым синфазным входным напряжением. [19]

В двухвходовом компараторе ( рис. 12.25, в) сравниваемые сигналы поступают на оба входа усилителя. При равенстве входных напряжений в момент tj выходное напряжение компаратора равно нулю, что соответствует принципу работы интегрального операционного усилителя. Уровень входного напряжения компаратора ограничивается допустимым синфазным входным напряжением. [20]

Одновременное однополярное изменение напряжений на обоих входах на одинаковое значение называется синфазным. В действительности из-за некоторой несимметричности плеч ДУ при подаче на его входы синфазного напряжения выходное напряжение не равно нулю. Отношение этого напряжения к входно му представляет собой коэффициент передачи синфазного входного напряжения, который в идеальном ДУ должен быть равным нулю. [21]

Для получения дифференциального выхода в приведенной схеме используется общая ОС по току, которая обеспечивается резистором R1 и поддерживает дифференциальные входные напряжения обоих усилителей в пределах нуля. В связи с тем, что ток между выходами двух усилителей протекает через резисторы ОС в различных направлениях, напряжения на выходах ОУ имеют противоположную полярность. При низком коэффициенте усиления размах выходного напряжения схемы может ограничиваться допустимым значением синфазного входного напряжения усилителя. Так, для получения большого размаха напряжения на выходе схемы при единичном коэффициенте усиления на ее вход необходимо подать такой же сигнал, значение которого может выйти за пределы диапазона допустимых синфазных напряжений одного из усилителей. Чтобы обеспечить условие получения максимального размаха напряжения, входной сигнал должен быть двуполяр-ным относительно общей шины, равномерно распределенным между входами обоих усилителей. [23]

Тракт передачи сигнала ИС состоит из входного дифференциального каскада, выполненного на f полевых транзисторах, промежуточного каскада на р-п – р транзисторе и выходного каскада, образующего двухтактный выход. Частотная коррекция осуществляется внутренним конденсатором. Построение входного каскада позволяет получить низкое и стабильное напряжение на входных полевых транзисторах, почти не зависящее от изменения напряжения питания и синфазного входного напряжения, в связи с чем малый уровень входного тока ( или большое входное сопротивление для синфазного сигнала) сохраняется во всем диапазоне входного синфазного напряжения и допустимом диапазоне напряжения питания. [24]

Основные характеристики усилителя представлены на следующих рисунках. Зависимость коэффициента усиления и максимального выходного напряжения от частоты – на рис. 1.115 и 1.116. Зависимостью частоты приведенного ко входу напряжения шума дана на рис. 1.117. На рис. 1.118 показано изменение напряжения смещения от входного сопротивления. Зависимости максимального выходного напряжения, коэффициента усиления и потребляемого тока от напряжения питания даны на рис. 1.119 – 1.121. Напряжение смещения, разности входных токов и коэффициента ослабления синфазного входного напряжения зависят от напряжения питания. [25]

Таким образом, при идеальном согласовании характеристик транзисторов в транзисторных парах VT1 – VT2 и VT3 – VT4 ДК с однофазным выходом сохраняет отмеченные выше свойства простейших ДК: нечувствительность к синфазному сигналу и формирование нулевого выходного сигнала ( / Вы 0) ПРИ нулевом входном дифференциальном сигнале. Однако, поскольку идеальное согласование харак – 7еристик элементов на практике недостижимо, соотношения (12.13), (12.14) необходимо рассматривать лишь как идеализированное описание ( модель) реальных характеристик. Параметры, оценивающие отклонение реальных характеристик от идеальных, называются параметрами неидеальности. Основными параметрами неидеальности ДК являются приведенное ко входу напряжение смещения t / CM, определяемое как значение входного дифференциального напряжения, при котором выходное напряжение равно нулю, и коэффициент ослабления синфазных входных напряжений Мсф, определяемый как отношение приращений синфазных входных напряжений к входному напряжению, вызывающих одно и то же приращение выходного напряжения. [26]

В J965 г. Видлар разработал первый, пригодный для использования интегральный ОУ; это был ОУ типа fiA709 фирмы Fairchild. Кроме того, в этом ОУ необходимо было производить внешнюю частотную коррекцию ( с помощью двух конденсаторов и резистора) и он имел очень неудобную схему регулировки нуля сдвига ( для которой также требовалось иметь три внешних компонента), И наконец, дифференциальное и синфазное входное напряжение было ограничено значением 5 В. [28]

Страницы: 1 2

Как установить синфазное напряжение при сопряжении усилителя с АЦП

В статье рассмотрены методы сопряжения усилителя и АЦП, позволяющие установить синфазное напряжение на входе преобразователя так, чтобы обеспечить максимальный динамический диапазон и точность преобразования. Статья представляет собой перевод [1].

По мере совершенствования технологических процессов и уменьшения минимальных топологических норм микросхем требования к точности задания напряжения питания и постоянных смещений в схеме растут. Большинство устройств использует однополярный источник для питания компонентов, но, как правило, поступающие на вход сигналы являются двухполярными. Чтобы установить уровень нуля или середину кода для усилителя и АЦП, необходимо задать синфазное напряжение при сопряжении этих двух компонентов. Если этого не сделать, то схема не будет работать.
Иногда возникают трудности при создании общей земли между усилителем и АЦП. Часто этой проблеме не уделяют должного внимания во многом потому, что техническая документация как на усилитель, так и АЦП весьма запутана. Оба устройства имеют определенные ограничения по входному/выходному диапазону и напряжению питания. Поэтому рекомендуется как можно внимательнее читать документацию.
Какие проблемы могут возникнуть после того, как был выбран усилитель и высокоскоростной АЦП? Вы провели полный анализ помех в схеме и установили, что все характеристики отвечают требованиям к данному приложению. Но учли ли вы напряжение синфазного сигнала при сопряжении этих двух устройств? Вот и попались!
Службы технической поддержки часто получают вопросы от заказчиков относительно синфазного напряжения. Если в разрабатываемой схеме осуществляется связь по переменному току и не требуется постоянная составляющая сигнала, дальше можно не читать. Для приложений со связью по переменному току следует использовать разделительный конденсатор между усилителем и АЦП, чтобы исключить рассогласование синфазного напряжения. Это позволит оптимизировать синфазное смещение выходов усилителя и входов преобразователя.
Если в разрабатываемом приложении осуществляется связь по постоянному току, то следует сохранить постоянную составляющую сигнала. Синфазное напряжение в этом случае играет весьма важную роль, т. к. оно, по сути, обеспечивает точное соответствие между входным сигналом и его цифровым представлением.
Синфазное напряжение — это, попросту говоря, центральная точка, относительно которой изменяются сигналы (см. рис. 1). В усилителе синфазное напряжение устанавливается на выходах, как правило, с помощью специального вывода VOCM или аналогичного ему. Будьте внимательны, поскольку эти выводы также имеют определенные ограничения по току и напряжению.

Рис. 1. Синфазное напряжение — это центральная точка, относительно которой изменяются дифференциальные сигналы

Рекомендуется тщательно изучить техническую документацию на усилитель или выбрать надежную точку для задания смещения, которая не перегружает другой узел или опорное напряжение в схеме. Не следует использовать для этого вывод опорного напряжения преобразователя (V_REF), на котором обычно задается напряжение, равное половине полной шкалы преобразователя, т.к. на этом выводе нельзя обеспечить смещение нужного уровня с требуемой точностью.
Было бы также разумным познакомиться с описанием выводов в технической документации на преобразователь. Обычно для усилителя надлежащее синфазное смещение обеспечивается с помощью резистивного делителя напряжения с 1-% допусками на сопротивление или с помощью буферного драйвера.
Со стороны преобразователя необходимо создать синфазное смещение на аналоговых входах, чтобы это опорное напряжение было выше нулевого. Но, прежде всего, следует уточнить, будет ли использоваться преобразователь с буфером или без буфера. Если использовать преобразователь без буфера (т.н. преобразователь с переключаемыми конденсаторами), то следует обеспечить внешнее синфазное смещение на аналоговых входах.
Как правило, преобразователи с буфером имеют аналоговые входы с автоматическим смещением. Этот уровень обычно составляет половину напряжения питания плюс падение напряжения на диоде (AVDD/2 + 0,7 В), в то время как преобразователь без буфера не обеспечивает автоматического смещения и требует синфазного смещения, равного половине аналогового напряжения питания (AVDD/2). Поэтому разработчики должны обеспечить синфазное смещение с помощью внешних цепей, что достигается различными способами.
Некоторые преобразователи имеют вывод VCM или CML, который позволяет задавать смещение с помощью пары резисторов, подсоединенных к аналоговым входам. Разработчики также могут использовать среднюю точку на обмотке трансформатора или подключить резистивный делитель к каждому аналоговому входу, соединяя его с AVDD и землей.
Опять-таки, следует «подальше держаться» от вывода V_REF или проверить требования на этот вывод в документации. Большинство выводов такого типа не приспособлено для создания синфазного смещения, если только не используется внешний буфер. Не забывайте, что вывод V_REF устанавливает все внутренние опорные напряжения в преобразователе. Он также определяет пределы полной шкалы на входе преобразователя.
Если вывод V_REF используется неправильно, т.е. нагружен, входной диапазон полной шкалы может быть смещен. Как следствие, ограничивается полный динамический диапазон системы. Или, что еще хуже, преобразователь выходит из строя. На рисунке 2 показаны примеры схем сопряжения усилителя и АЦП, в которых правильно задано синфазное смещение.

Рис. 2. Примеры схем сопряжения усилителя и АЦП, в которых правильно задано синфазное смещение

Если не обеспечить синфазное смещение, то в преобразователе появятся ошибки усиления и смещения, что ухудшит точность измерений. Выход преобразователя будет, например, иметь вид, показанный на рисунке 3. Выходной спектр будет похож на перегруженный входной сигнал полной шкалы. Это означает, что нулевая точка преобразователя сместится относительно середины шкалы и не оптимальна.
Разработчик может обнаружить, что выход преобразователя слишком рано обрезается или не достигает полной шкалы. В последнее время эта проблема усугубилась в связи с тем, что для питания преобразователей теперь используется напряжение 1,8 В. Это означает, что синфазное смещение для аналоговых входов равно 0,9 В (AVDD/2). Не все усилители с однополярным питанием могут поддерживать такое низкое синфазное напряжение, при этом обеспечивая достаточно хорошие характеристики.

Рис. 3. Если не обеспечить синфазное смещение, то выходной спектр будет похож на перегруженный входной сигнал полной шкалы, т.е. нулевая точка преобразователя сместится относительно середины шкалы

Однако многие новые усилители приспособлены для работы с таким низким напряжением и доступны на рынке. Поэтому следует оценить, какой усилитель использовать в новом проекте. Не все старые усилители будут работать при таком питании, поскольку запас по напряжению в них весьма мал и внутренние транзисторы могут не работать.
Если в усилителе используется двуполярное питание, то запас по напряжению должен быть достаточным для большинства случаев. Оборотной стороной этого является необходимость использовать дополнительный источник питания, что означает большее количество компонентов, более высокую стоимость и потребляемую мощность. Простые инверторные схемы могут не помочь в этом случае, но разработчикам так или иначе придется искать компромиссное решение.

Заключение

Синфазное смещение играет важную роль, когда преобразователь сопрягают с предшествующим каскадом схемы, например, усилителем. Необходимо тщательно проверять в технической документации соответствие усилителя и преобразователя по входному диапазону и требованиям по синфазному напряжению.

Литература

1. Rob Reeder. Achieve CM Convergence Between Amps And ADCs//electronicdesign.com.

Что такое «синфазный» шум? – СпросиСеть

Что такое синфазный шум?

Практически все интегральные схемы (и схемы в целом) имеют вывод с именем «земля» или «GND», или в техническом описании говорится что-то вроде «подключить VSS к земле».

При передаче данных «на большое расстояние» провода действуют как антенны и могут легко улавливать шум на несколько вольт, а также излучать шум. Так, например, выходной вывод на микросхеме в одном блоке может передавать «0» как около 0,5 В и передавать «1» бит как около 2,5 В, измеренный относительно вывода заземления того же чипа «линейного драйвера» ,

В удаленном месте другой конец провода часто подключается к контакту на микросхеме «линейного приемника». Из-за шума напряжение на этом входном выводе, измеренное относительно заземляющего контакта того же линейного приемника, часто может находиться где-нибудь в диапазоне от -1,5 В до +2,5 В, когда передатчик пытается отправить «0», и где-нибудь в диапазоне от 0,5 В до 4,5 В, когда передатчик пытается отправить «1».

Так как же приемник может знать, пытается ли передатчик отправить 1 или 0, когда он получает напряжение, например 0,9 или 2,2?

Из-за этого данные, передаваемые на большие расстояния, часто отправляются с использованием дифференциальной сигнализации по сбалансированной паре , часто по витой паре . В частности, кабели USB, CANbus и MIDI включают в себя одну витую пару для данных; «2-строчные» телефоны и FireWire используют две витые пары; Кабели Ethernet CAT5e включают в себя четыре витые пары; другие системы используют еще больше пар. Часто (но не всегда) в одном и том же пучке кабелей есть какой-то другой «провод заземления».

Мы помечаем один из этих проводов «плюс» или «положительный» или «+» или «p», а другой провод «минус» или «-» или «отрицательный» или «n». Поэтому, когда я хочу передать сигнал «CLK» и «MOSI» из одного места в другое, мой кабель имеет 4 провода, помеченные как pCLK, nCLK, pMOSI, nMOSI.

Синфазное напряжение CLK – это среднее значение двух проводов CLK (pCLK + nCLK) / 2, измеренное на приемнике – относительно вывода GND этого приемника.

Синфазное напряжение MOSI – это среднее значение двух проводов MOSI (pMOSI + nMOSI) / 2, измеренное на приемнике – относительно вывода GND этого приемника.

Люди, которые разрабатывают линейные драйверы, стараются заставить их подтягивать линию «p» вверх столько же, сколько и в то время, когда линия «n» идет вниз, и наоборот, поэтому среднее напряжение (измеренное в драйвере) постоянно – – в этом примере среднее значение у водителя составляет постоянную 1,5 В. (Увы, они никогда не бывают полностью успешными).

Если бы не было шума, то синфазное напряжение также было бы таким же постоянным значением – но, увы, это не так.

Всякий раз, когда данные передаются с помощью дифференциальной сигнализации, разница между бесшумным синфазным напряжением и фактическим синфазным напряжением целиком обусловлена шумом. Эта разница называется синфазным шумом.

Существует 3 основных причины синфазного шума:

Многие дифференциальные пары приводятся в движение таким образом, что они не переключают провода «+» и «-» в одно и то же время, или при одинаковом напряжении, или, возможно, при небольшом количестве шума на шине питания линейного драйвера протекает только на Провод «+», а не «-», вызывая синфазный шум. ( Ферритовый дроссель на стороне «драйвера» кабеля обычно используется для уменьшения синфазного шума от этого источника).
Другие провода в кабельном пучке могут пропускать больше энергии в один провод пары, чем в другой, обычно через емкостную связь. (Скручивание каждой пары разного количества витков на длину обычно используется для уменьшения синфазного шума от этого источника).
Внешние помехи – часто через индуктивную связь.

Как может быть синфазный шум?

Люди пытаются спроектировать линейные приемники для подавления синфазного шума. (Увы, они никогда не бывают полностью успешными). Но даже в системе, которая использует дифференциальную сигнализацию с такими линейными приемниками, синфазный шум все еще может быть проблематичным:

Длинные провода связи действуют как антенны. Если линейный драйвер посылает слишком много синфазного шума по проводам, это вызывает радиочастотные помехи для других устройств и приводит к сбою системы FCC или CE, или обоим, для электромагнитной совместимости (EMC).
Некоторые синфазные помехи просачиваются через линейный приемник – коэффициент подавления синфазных помех не бесконечен. Это большая проблема с аналоговыми сигналами; обычно не проблема с цифровыми единицами и нулями.
Большинство интегральных микросхем не работают правильно, когда какой-либо вывод слишком высокий или два низковольтных напряжения ниже 0,6 В ниже контакта GND и выше 0,6 В выше контакта питания обычно вызывают проблемы. Поскольку синфазный шум может легко выдвинуть сигнал «+» или «-», или оба, вне этого диапазона, линейные приемные цепи должны либо соединить провода со специальными интегральными схемами (такими как «Расширенные синфазные приемопередатчики RS-485»). “) которые могут справиться с такими экскурсиями; или подключите провода к некоторому неинтегрированному компоненту, который защищает микросхемы от таких отклонений, например, к оптоизоляторам, используемым в MIDI, или к трансформаторам, используемым в Ethernet.

Теория

– Что означает синфазное напряжение в инструментальном усилителе?

Синфазное напряжение – это смещение напряжения, которое является «общим» как для инвертирующего, так и для неинвертирующего (т.е. «+» и «-») входов инструментального усилителя. Инструментальный усилитель настроен как разностный усилитель, поэтому он измеряет разницу между этими двумя входами и таким образом отклоняет любое напряжение, которое составляет , общее , для этих двух. Другими словами, если у вас есть два сигнала v1 (t) и v2 (t) на двух входах:

v1 (t) = f1 (t) + Vcm (t)

v2 (t) = f2 (t) + Vcm (t)

то, что измерит инструментальный усилитель:

vo (t) = v1 (t) – v2 (t) = (f1 (t) + Vcm (t)) – (f2 (t) + Vcm (t)) = f1 (t) – f2 ( т)

Обратите внимание, что Vcm (t) (синфазное напряжение, которое появляется в обоих входных сигналах) отменяется.Также обратите внимание, что это не обязательно должен быть сигнал постоянного тока, но он может меняться со временем.

Теперь, почему мы заботимся о синфазном напряжении при выборе дифференциального усилителя? Как говорили другие люди, необходимо учитывать две ключевые характеристики усилителя: коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR) и диапазон синфазного сигнала.

CMRR важен, потому что инструментальный усилитель не является идеальным усилителем разности. Идеальный дифференциальный усилитель отклонял бы 100% синфазного напряжения во входных сигналах и измерял бы только разницу между двумя сигналами.В реальных инструментальных усилителях это не так, и существует измеримая (хотя обычно очень небольшая) величина синфазного напряжения на входе, которое попадает на выход.

Диапазон синфазного сигнала важен, поскольку он ограничивает расстояние от земли до измеряемых входных сигналов. Это предел, потому что обычно вы не можете измерять сигналы вне напряжений питания (часто называемых «шинами») усилителя. Существуют исключения из этого правила, но в целом напряжение каждого входного сигнала должно оставаться в пределах питающих шин. усилитель.Поэтому, если вы снабжаете свой усилитель шинами +/- 12 В, вы не сможете измерить разницу между двумя сигналами с синфазным смещением 15 В, даже если разница между двумя сигналами составляет всего 20 мВ. Например, если ваши два сигнала полностью DC и равны:

V1 = 15 + 0,010

V2 = 15 – 0,010

Vo = V1 – V2 = 0,020

Вы не смогли бы измерить их, если бы ваш инструментальный усилитель имел синфазный диапазон +/- 12 В.

Что такое синфазный сигнал на языке непрофессионала и почему мы заботимся о нем при изучении дифференциальных усилителей?

Пример для мотивации ответа

Представьте себе микрофон на конце двух длинных проводов. Вы подключаете эти два провода к микрофонному входу усилителя. Из динамиков выходит сильный гул, иногда со слабым сигналом.

Происходит то, что микрофон издает довольно слабые сигналы. Это всего лишь несколько мВ для обычных звуков человеческого масштаба. Однако длинный провод также емкостным образом связан с проводами питания в стенах, линейными шнурами на полу и т. Д. Эта емкостная связь мала, но вы также начинаете с больших сигналов. Провода питания 60 Гц могут иметь напряжение 120 В. Даже если оно ослаблено на 10 000 на проводах, это все равно 12 мВ, что примерно на порядок больше, чем сигнал микрофона.

Обратите внимание, что оба провода улавливают гул 60 Гц. Один из проводов подключается к заземленной стороне микрофонного входа усилителя.Гул на этом проводе не имеет значения, потому что он заземлен на усилителе. Усилитель по определению считает напряжение на нулевом входе заземления. Однако гудение на другом проводе похоже на реальный сигнал усилителя, и его нельзя отличить от сигналов микрофона.

А теперь представьте, что у вас на плече не было чипа о понимании электроники, и вы немного задумались над этой проблемой. Что, если бы вы могли использовать гудение на заземленной вами линии в своих интересах? Оба провода будут слышать примерно один и тот же гул.Если бы вы могли вычесть напряжение на одном проводе минус напряжение на другом, а затем усилить разницу, вы бы смогли подавить большую часть гула.

Существуют усилители, которые одинаково обрабатывают два входных сигнала и выполняют это различие перед усилением. Фактически, именно по этой причине это обычное дело в микрофонных системах высшего класса.

Один из способов сделать это самостоятельно – добавить аудиопреобразователь прямо перед существующим усилителем. Магнитное поле в трансформаторе создается током, протекающим через первичную обмотку.Оба провода, плавающие вверх и вниз с одинаковым напряжением, не вызывают никакого тока. Вся первичная обмотка колеблется вверх и вниз по напряжению из-за гула, но ни один из этих факторов не вызывает магнитного поля в трансформаторе и, следовательно, не вызывает выхода какого-либо сигнала из вторичной обмотки.

Ответ

Итак, чтобы наконец ответить на ваш вопрос, первая реализация называется несимметричный . Вторая реализация либо с усилителем, который принимает разницу с активной схемой, либо с трансформатором, который учитывает разницу с базовой физикой, называется дифференциальным сигналом .

Мы часто говорим о дифференциальных и синфазных сигналах на паре проводов. Дифференциальный сигнал – это просто разница между ними, а синфазный сигнал – это часть сигнала, которая одинакова между ними. Вы можете думать о синфазном сигнале как о среднем значении, если это помогает его визуализировать.

Подробнее об обработке сигналов микрофона

На практике простого подключения двух проводов к микрофону и дифференцированной обработки результата недостаточно.Помните, что напряжение питания примерно на 5 порядков больше, чем сигналы микрофона. Если вы ослабите его на 100000, это всего лишь примерно до уровня сигналов, которые вы хотите слышать. Никто не захочет это слушать. Вероятно, вам нужно ослабить шум еще на 20 дБ, чтобы он не подавлял, может быть, еще на 20 дБ, чтобы не раздражать, еще на 20 дБ, чтобы быть приемлемым для чего-то вроде качества телефона, и еще на 30 дБ или около того, чтобы он был неслышным и приемлемым для ” HiFi »аудио.

Если вы все это выполнили, шум необходимо уменьшить примерно на 90 дБ ниже предполагаемых уровней сигнала. Это 4,5 порядка по напряжению в дополнение к 5, с которых мы начали, просто чтобы снизить 120 В переменного тока примерно до той же амплитуды, что и сигналы микрофона. Это показывает, почему гул в сигналах микрофона требует особого внимания. Вы не можете иметь более 10 ^-10 напряжения линии питания в сигнале микрофона.

Так что же вы делаете? Обработка обоих проводов одинаково, а затем использование только сигнала дифференциального режима (игнорирование сигнала синфазного режима), безусловно, является важной частью решения, но само по себе недостаточно.Именно это подразумевается под сбалансированным сигналом микрофона , который является стандартом профессионального звука.

Два провода дополнительно защищены экраном. Этот экран подключен к земле. По сути, он попадает между источником шума и проводами и блокирует емкостной прием внешних сигналов.

Еще одна уловка – скрутить два сигнальных провода друг вокруг друга. Это увеличивает вероятность того, что любой шум, который они улавливают, будет одинаковым на обоих проводах.Другими словами, он делает больше шума в обычном режиме, а не в дифференциальном. Это позволяет дифференциальному входу микрофонного усилителя подавлять шум.

Если вы будете осторожны, используйте сигнальные провода витой пары внутри экрана и хороший дифференциальный вход на усилителе, вы можете получить необходимое ослабление внешних сигналов 10 ¹⁰ или более.

Почему синфазное напряжение в среднем равно двум входным напряжениям в дифференциальном усилителе?

Синфазное напряжение – это среднее двух значений, поэтому оно имеет следующие полезные свойства:

Если входные значения находятся при нулевом напряжении, тогда нулевое напряжение общего режима.(Смысл лошади: в каком смысле два нулевых напряжения могут иметь общее ненулевое напряжение?)
Если одно и то же напряжение \ $ \ Delta V \ $ добавить к обоим входам , то синфазное напряжение изменится на \ $ \ Delta V \ $, а не на какой-то неудобный \ $ f (\ Delta V) \ $ (или того хуже, \ $ f (\ Delta V, V_ +, V _-) \ $). Даже что-то вроде \ $ \ frac {2} {3} \ Delta V \ $. Просто \ $ \ Delta V \ $. Вот что значит общее! Мы делаем одинаковое одинаковое изменение для обоих входов, и синфазное напряжение изменяется именно на эту величину.
Если напряжение \ $ \ Delta V \ $ добавлено к одному входу и вычтено из другого, то синфазное напряжение не изменится. Это рационально. Мы переместили входы в противоположных направлениях на равную величину: нет общего движения .

Давайте немного формализуем ситуацию и рассмотрим синфазное напряжение \ $ V_c \ $ как двумерную функцию двух входных напряжений. Правило 1 означает:

$$ V_c (0, 0) = 0 $$

и так далее.Правило 2 означает:

$$ V_c (a + c, b + c) = V_c (a, b) + c $$

Обратите внимание, что вместе с Правилом 1, если мы подставим \ $ a = b = 0 \ $, мы также получим это:

$$ V_c (0 + a, 0 + a) = V_c (0, 0) + a $$

$$ V_c (a, a) = V_c (0, 0) + a $$

$$ V_c (a, a) = a $$

Правило 3 означает:

$$ V_c (a + c, b – c) = V_c (a, b) $$

Предположим, мы принимаем эти требования как разумные. Теперь можем ли мы найти функцию \ $ V_c (x, y) \ $, которая им удовлетворяет, но , которая не является средним арифметическим \ $ (x + y) / 2 \ $. Мы можем доказать, что нет, функция должна быть средним арифметическим.

Начнем с:

$$ V_c (a + c, b – c) = V_c (a, b) $$

Затем мы можем взять правило \ $ V_c (a + c, b + c) = V_c (a, b) + c \ $ и применить его, добавив \ $ c \ $ к обоим аргументам \ $ V_c (a + c, b – c) \ $:

$$ V_c (a + 2c, b) = V_c (a + c, b – c) + c $$

Затем подставьте, чтобы получить это очень полезное производное правило:

$$ V_c (a + 2c, b) = V_c (a, b) + c $$

В силу симметрии \ $ a \ $ и \ $ b \ $ также имеем:

$$ V_c (a, b + 2c) = V_c (a, b) + c $$

Второе уравнение выше также дает нам это, если мы используем \ $ b \ $ вместо \ $ 2c \ $:

$$ V_c (a, b + b) = V_c (a, b) + \ frac {1} {2} b $$

(Если удвоить любой из входов, синфазное напряжение вырастет вдвое по сравнению с входным! Мы приближаемся!)

Теперь давайте объединим эти производные правила с \ $ V_c (0, 0) = 0 \ $, добавив \ $ 2c \ $ к любому параметру:

$$ V_c (0, 2c) = V_c (0, 0) + c = c $$

$$ V_c (2c, 0) = V_c (0, 0) + c = c $$

Другими словами:

$$ V_c (a, 0) = \ frac {1} {2} a $$

$$ V_c (0, b) = \ frac {1} {2} b $$

Теперь мы можем применить \ $ V_c (a, b + b) = V_c (a, b) + \ frac {1} {2} b \ $ к \ $ V_c (a, 0) = \ frac {1} {2} а \ $:

$$ V_c (a, b) = \ frac {1} {2} a + \ frac {1} {2} b = \ frac {a + b} {2} $$

Таким образом, мы показываем, что требования 1, 2 или 3 требуют, чтобы функция для синфазного напряжения не могла быть функцией двух аргументов, кроме их среднего арифметического. И поскольку каждое из этих трех свойств синфазного напряжения – невероятно разумная и полезная идея, не соглашаться с ними – безумие; следовательно, среднее арифметическое двух дифференциальных напряжений сигнала – это правильный путь ^TM для определения его синфазного напряжения; Q.E.D.

Что такое диапазон входного синфазного напряжения (CMVR)?

Некоторые файлы cookie необходимы для безопасного входа в систему, но другие необязательны для функциональной деятельности. Сбор наших данных используется для улучшения наших продуктов и услуг.Мы рекомендуем вам принять наши файлы cookie, чтобы обеспечить максимальную производительность и функциональность нашего сайта. Для получения дополнительной информации вы можете просмотреть сведения о файлах cookie. Узнайте больше о нашей политике конфиденциальности.

Принять и продолжить Принять и продолжить
Файлы cookie, которые мы используем, можно разделить на следующие категории:
Строго необходимые файлы cookie:
Это файлы cookie, которые необходимы для работы analog.com или определенных предлагаемых функций.Они либо служат единственной цели передачи данных по сети, либо строго необходимы для предоставления онлайн-услуг, явно запрошенных вами.
Аналитические / рабочие файлы cookie:
Эти файлы cookie позволяют нам выполнять веб-аналитику или другие формы измерения аудитории, такие как распознавание и подсчет количества посетителей и наблюдение за тем, как посетители перемещаются по нашему веб-сайту. Это помогает нам улучшить работу веб-сайта, например, за счет того, что пользователи легко находят то, что ищут.
Функциональные файлы cookie:
Эти файлы cookie используются для распознавания вас, когда вы возвращаетесь на наш веб-сайт. Это позволяет нам персонализировать наш контент для вас, приветствовать вас по имени и запоминать ваши предпочтения (например, ваш выбор языка или региона). Потеря информации в этих файлах cookie может сделать наши службы менее функциональными, но не помешает работе веб-сайта.
Файлы cookie для таргетинга / профилирования:
Эти файлы cookie записывают ваше посещение нашего веб-сайта и / или использование вами услуг, страницы, которые вы посетили, и ссылки, по которым вы переходили.Мы будем использовать эту информацию, чтобы сделать веб-сайт и отображаемую на нем рекламу более соответствующими вашим интересам. Мы также можем передавать эту информацию третьим лицам с этой целью.
Отклонить файлы cookie
Основные подключения аналогового входного сигнала (часть 1)
Цель
Обеспечить базовое понимание следующих концепций и практик подключения аналоговых входных сигналов:
Несимметричные входы
Дифференциальные входы
Синфазное напряжение
Диапазон синфазного режима
Заземление и изоляция системы
Целевая аудитория
Пользователи устройства DAQ, отвечающие за подключение аналоговых входных сигналов для точных измерений.Если вы уже знакомы с этими концепциями, вы можете перейти непосредственно к Технической подсказке: Основные подключения аналоговых сигналов (часть 2).
Теория
Конфигурации несимметричных и дифференциальных входов
Типичное устройство сбора данных обеспечивает выбор несимметричных или дифференциальных аналоговых входных каналов.
Несимметричные входы
Несимметричные входы измеряют напряжение между входным сигналом и аналоговой землей (AGND) (см. рисунок 1).Поскольку для каждого входа требуется только одно физическое соединение, несимметричная конфигурация может контролировать в два раза больше каналов, чем дифференциальная конфигурация с двумя соединениями, использующая тот же разъем и встроенный мультиплексор.

Рисунок 1. Базовая конфигурация несимметричного входа
Дифференциальные входы
Дифференциальные входы измеряют напряжение между двумя различными входными сигналами (см. Рисунок 2).Дифференциальный вход лучше сопротивляется электромагнитным помехам (EMI), чем несимметричный вход. Большая часть шума EMI, индуцированного в одном отведении, также индуцируется в другом. Вход DAQ измеряет только разницу между двумя выводами, а общие электромагнитные помехи для обоих игнорируются. Этот эффект является основным преимуществом проводки витой парой – скручивание обеспечивает практически одинаковое внешнее воздействие на оба провода.

Рисунок 2. Базовая конфигурация дифференциального входа
Диапазон синфазного напряжения и синфазного режима
Основное различие между несимметричным или дифференциальным входом заключается в общем подключении или синфазном напряжении для аналоговых входов напряжения.
Односторонние многоканальные измерения требуют, чтобы все напряжения были привязаны к одному и тому же общему узлу, чтобы предотвратить определенные типы ошибок измерения. Для большинства несимметричных систем сбора данных общим эталоном должно быть заземление, установленное компьютером, что делает измерение уязвимым как для электромагнитных помех, так и для любого шума заземления в источнике сигнала.
На рисунке 3 показана несимметричная конфигурация с синфазным напряжением (В _см). Любая разница напряжений между землей g1 и g2 проявляется как сигнал ошибки на входном усилителе.Если идеальная общая точка недоступна для несимметричных входов, необходима конфигурация дифференциального входа.

Рисунок 3: Конфигурация несимметричного входа с синфазным напряжением
Конфигурация дифференциального входа более устойчива к электромагнитным помехам, чем несимметричная конфигурация, поскольку дифференциальные соединения отменяют или игнорируют синфазные напряжения и могут измерять разницу между двумя подключенными точками. Отклоненные синфазные напряжения могут быть постоянными уровнями постоянного тока или всплесками шума.

Рисунок 4. Конфигурация дифференциального входа с синфазным напряжением

Всм игнорируется в конфигурации дифференциального входа, но только в пределах диапазона, называемого синфазным диапазоном . Обычно усилитель устройства в дифференциальном режиме имеет диапазон синфазного сигнала ± 10 В. Напряжение синфазного сигнала в сочетании с напряжением сигнала – V _см + V _s – должно оставаться в этом диапазоне.
Диапазон синфазного напряжения ± 10 В графически показан на рисунке 5.

Рисунок 5. Синфазное напряжение = +4 В
Входной сигнал не может быть измерен, если он больше 10 В от устройства AGND, даже в дифференциальном режиме. Например, устройство не может измерить разницу между 13 В и 14 В как 1 В из-за ограничения диапазона синфазного напряжения ± 10 В.
Заземление и изоляция системы
При принятии решения о том, как подключить сигнал к вашему DAQ-устройству, необходимо рассмотреть три случая относительно заземления:
Если вход устройства и источник сигнала имеют общую землю, то источник сигнала можно подключить непосредственно к устройству.
Если вход устройства и источник сигнала имеют напряжение смещения между своими заземлениями (переменное и / или постоянное), то это смещение является синфазным напряжением. В зависимости от величины этого напряжения вы можете подключить устройство напрямую к источнику сигнала (этот сценарий объясняется в разделе «Системы с синфазным напряжением (смещение заземления)».
Если у устройства и источника сигнала уже есть изолированные заземления, то вы можете подключить источник сигнала напрямую к устройству.
Системы с общей массой
В простейшем случае источник сигнала имеет тот же потенциал земли, что и устройство. Обычно это происходит при подаче питания или возбуждения на источник сигнала непосредственно от DAQ-устройства. Если вы настраиваете систему , предполагая, что есть общая земля, любое напряжение между землей устройства и сигнальной землей является напряжением потенциальной ошибки.
Если источник сигнала или датчик не подключен напрямую к выводу AGND на вашем устройстве, предположите, что у вас нет общего заземления, даже если ваш вольтметр показывает 0.0 В. Настройте систему так, как если бы между источником и устройством было напряжение смещения земли, особенно если вы используете высокие коэффициенты усиления. Потенциалы заземления в субмилливольтовом диапазоне достаточно велики, чтобы вызывать ошибки, но их нельзя измерить портативным вольтметром.
Системы с напряжениями общего заземления (смещения земли)
Наиболее вероятный сценарий заземления включает заземления, которые каким-либо образом связаны, но имеют смещение напряжения между заземлением устройства и источника сигнала.Это напряжение смещения может быть переменным, постоянным или обоими. Смещение может быть вызвано различными факторами, такими как наводки электромагнитных помех или резистивные падения напряжения в заземляющей проводке и соединениях. Напряжение смещения заземления – это более описательный термин для этого типа системы, но термин common mode используется чаще (и поэтому используется в этой статье).
Малые синфазные напряжения: Если напряжение между землей источника сигнала и землей устройства мало, комбинация напряжения земли и входного сигнала не превышает допустимого диапазона синфазного напряжения ± 10 В.В частности, когда вы добавляете напряжение между землями к максимальному входному напряжению, результат находится в пределах ± 10 В. Этот вход совместим с устройством, и вы можете подключить систему в дифференциальной конфигурации без дополнительной обработки сигнала. К счастью, большинство систем попадают в эту категорию и имеют небольшие перепады напряжения между землями.
Большое синфазное напряжение: Если напряжение между землей источника сигнала и землей устройства достаточно велико, комбинация напряжения земли и входного сигнала превышает допустимый диапазон синфазного напряжения ± 10 В.В этом случае не подключайте устройство напрямую к источнику сигнала. Измените конфигурацию заземления вашей системы или добавьте преобразование сигнала изоляции.
Свяжитесь с нашей группой технической поддержки, чтобы обсудить варианты преобразования сигнала (см. Дополнительную информацию в конце этой статьи).
Внимание! Избегайте использования заземляющего штыря розетки переменного тока для подключения заземления сигнала. Различные заземляющие вилки могут иметь большие и потенциально опасные перепады напряжения.Помните, что контакты заземления на розетках 120 В переменного тока с разных сторон комнаты можно подключать только к панели автоматического выключателя. Это оставляет возможность того, что контакты заземления могут иметь значительный перепад напряжения, особенно если две розетки на 120 В переменного тока находятся на разных фазах линии.
Устройство и источник сигнала уже имеют изолированное заземление
Некоторые источники сигнала уже электрически изолированы от устройства. На рисунке 6 показана типичная изолированная система заземления.Эти источники сигналов часто работают от батарей или представляют собой сложное оборудование. Изолированные системы заземления обеспечивают отличную производительность, но требуют осторожности для обеспечения оптимальной производительности. См. Техническую подсказку: Основные подключения аналоговых сигналов (часть 2) для получения дополнительных сведений.

Рисунок 6. Источник сигнала и устройство AI DAQ имеют общую землю, подключенную к несимметричному входу
Дополнительная информация
Пожалуйста, свяжитесь с Measurement Computing Corporation, если у вас есть какие-либо вопросы или если вам нужна дополнительная информация.
Дополнительные TechTips доступны на нашей веб-странице технических статей по сбору данных.
Planet Analog – Вы нарушаете входной синфазный диапазон вашего операционного усилителя?
( Примечание редактора : в эту статью закралось несколько небольших ошибок. Они были исправлены в тексте. Для тех, кто перечитывает эту статью, изменения также явно указываются в самом конце, под подтверждением. Мы приносим свои извинения за возможные недоразумения.)
Вы прошли процедуру выбора операционного усилителя (ОУ) для вашей схемы на основе параметров, наиболее важных для вашего приложения.Некоторые из рассмотренных вами параметров могли включать в себя напряжение питания, произведение коэффициента усиления, скорость нарастания и входное шумовое напряжение, и это лишь некоторые из них.
Вы также учли входной синфазный диапазон, ключевой параметр, важный для всех приложений операционного усилителя в вашей схеме, верно? Если ваш ответ – нет , мы настоятельно рекомендуем вам продолжить чтение этой статьи. Даже если ваш ответ да , вы все равно можете найти этот материал полезным.
Инженеры, которые работали с операционными усилителями на протяжении всей своей карьеры, вероятно, сталкивались с ситуациями, когда операционный усилитель работал неожиданным образом.Что хорошо в операционных усилителях, так это то, что их выходной сигнал часто рассказывает историю. Во многих случаях, если что-то не так, это очевидным образом проявляется на выходном контакте. Нежелательные формы выходных сигналов могут быть вызваны ограничениями на выходном каскаде. Возможно, наблюдается колебание, вызванное слишком большой емкостью на выходе. Или, возможно, ограничение происходит до достижения полного напряжения на шине, потому что выходной каскад ограничен колебаниями напряжения, меньшими, чем напряжение на шине питания.
Также возможно странное поведение на выходе операционного усилителя, которое не имеет ничего общего с выходным каскадом. Иногда нежелательный выходной сигнал может возникать из-за того, что что-то не так на входной стороне устройства. Одна из наиболее распространенных проблем, с которыми сталкиваются операционные усилители, – это нарушение входного синфазного диапазона устройства. Но что такое входной синфазный диапазон , и каковы последствия его нарушения или превышения?
Определение синфазного диапазона входа
Говоря о входах операционного усилителя, входное синфазное напряжение (V _ICM) является одним из первых терминов, о которых думает инженер, но может привести к некоторой первоначальной путанице.V _ICM описывает конкретный уровень напряжения и определяется как среднее напряжение на инвертирующих и неинвертирующих входных контактах (, рис. 1, ).
Рисунок 1: Входное синфазное напряжение для операционного усилителя.
Обычно выражается как:
V _ICM = [V _IN (+) + V _IN (-)] / 2 .
Другой способ представить себе V _ICM – это уровень напряжения, общий как для неинвертирующих, так и для инвертирующих входов, V _IN (+) и V _IN (-).Как оказалось, в большинстве приложений V _IN (+) очень близок к V _IN (-), потому что отрицательная обратная связь с обратной связью приводит к тому, что один входной вывод точно отслеживает другой, так что разница между V _IN (+) и V _IN (-) близко к нулю. Т
Это верно для многих распространенных схем, включая повторители напряжения, инвертирующие и неинвертирующие конфигурации. В этих случаях обычно предполагается, что V _IN (+) = V _IN (-) = V _ICM, поскольку эти напряжения примерно одинаковы.
Другой термин, используемый для описания входов операционного усилителя, – это входной синфазный диапазон (V _ICMR), или, точнее, входной синфазный диапазон напряжения . Это параметр, который чаще всего используется в таблицах данных, а также тот, о котором следует больше всего беспокоиться разработчикам схем. V _ICMR определяет диапазон синфазных входных напряжений, который приводит к правильной работе устройства операционного усилителя, и описывает, насколько близко входы могут подойти к любой шине питания.
Другой способ думать о V _ICMR состоит в том, что он описывает диапазон, определенный V _{ICMR_MIN} и V _{ICMR_MAX}. Как показано на Рисунке 2 , V _ICMR описывается следующим образом:
V _ICMR = V _{ICMR_MAX} – V _{ICMR_MIN}
Где:
В _{ICMR_MIN} = предел относительно VCC – шина питания
В _{ICMR_MAX} = предел относительно VCC + шина питания
Рисунок 2: Диапазон входного синфазного напряжения для операционного усилителя.
При превышении V _ICMR нормальная линейная работа операционного усилителя не гарантируется. Следовательно, очень важно убедиться, что весь диапазон входного сигнала полностью понят и не превышен V _ICMR.
Еще одна путаница может заключаться в том, что V _ICM и V _ICMR не являются стандартизированными сокращениями, а в различных таблицах данных от различных поставщиков IC часто используется разная терминология, включая V _CM, V _IC, V _CMR и т. Д. .Следовательно, необходимо понимать, что спецификация, которую вы ищете, – это не просто конкретное входное напряжение – это диапазон входного напряжения .
В _ICMR зависит от операционных усилителей
Входной каскад операционного усилителя определяется спецификациями конструкции и типом используемой технологии обработки операционного усилителя. Например, входной каскад КМОП операционного усилителя отличается от входного каскада биполярного операционного усилителя, который отличается от входного каскада операционного усилителя с полевым транзистором и т. Д.Хотя конкретные детали входных каскадов операционных усилителей и технологий обработки выходят за рамки данной статьи, важно отметить, что эти различия существуют между различными устройствами на операционных усилителях.
Таблица 1 показывает несколько примеров операционных усилителей от Texas Instruments (TI) и их V _ICMR. В столбце «Максимальный диапазон подачи» описаны ограничения для раздельной и одинарной подачи (в скобках). Из таблицы видно, что входной диапазон V _ICMR, сильно отличается от операционного усилителя к операционному усилителю.В зависимости от типа устройства V _ICMR может находиться в пределах или за пределами шин питания. Следовательно, никогда не предполагайте, что операционный усилитель может принимать определенный диапазон входного сигнала, пока он не будет проверен в технических характеристиках.

Таблица 1: Примеры V _ICMR для нескольких различных типов операционных усилителей.
Особый случай, который стоит упомянуть для широких входных диапазонов, – это операционный усилитель rail-to-rail input .Хотя в названии подразумевается операционный усилитель, вход которого может охватывать весь диапазон шин питания, не все устройства ввода с питанием от шины питания охватывают весь диапазон питания, как многие могут предположить. Это правда, что многие операционные усилители с входом Rail-to-Rail охватывают весь диапазон питания (например, OPA333 в таблице 1), но есть и другие, которые немного отстают и вводят в заблуждение в своем описании. Опять же, очень важно просмотреть указанный диапазон ввода в таблице.
Примеры нарушения V _ICMR
Нарушение напряжения V _ICMR обычно наблюдается в операционных усилителях с однополярным питанием, где отрицательная шина часто заземляется, или 0 В, а положительная шина – это некоторое положительное напряжение, например 3. Напряжение 3 В, 5 В или выше. В этих приложениях диапазон входного сигнала обычно не очень широк, и входной сигнал и V _ICMR должны быть хорошо изучены, чтобы гарантировать правильную работу операционного усилителя. Если V _ICMR нарушается, может возникнуть нежелательное поведение выходного сигнала, такое как ограничение сигнала при уровнях напряжения ниже ожидаемых, сдвиги напряжения в выходном сигнале, реверс фазы или выход преждевременно достигает одного из напряжений шины питания.
Чтобы лучше понять последствия превышения V _ICMR, мы создали несколько примеров с нарушениями.Мы выбрали два операционных усилителя с разными характеристиками V _ICMR, чтобы продемонстрировать эти эффекты. Мы выбрали эти устройства, потому что они имеют выходы rail-to-rail, чтобы исключить ограничения, связанные с выходным каскадом. Схема повторителя напряжения с однополярным питанием на рис. 3 использовалась для захвата сигналов для обоих устройств. Все данные были получены на лабораторном столе при комнатной температуре ~ 25 ° C.

Рисунок 3: Схема повторителя напряжения с однополярным питанием, используемая для оценки V _ICMR.
Пример 1
Для первого примера мы выбрали операционный усилитель TLC2272 и запитали его напряжением V _CC = 10 В. В таблице данных типичный диапазон V _ICMR описан как от –0,3 до 4,2 В для напряжения питания 5 В при 25 ° C. Обратите внимание на ограничение входа около положительной шины питания, на 0,8 В ниже V _CC (или V _CC –,8 В). В этом примере используется V _CC = 10 В, а результирующий входной предел около V _CC оценивается примерно в 9.2В.
Для проверки схемы мы подаем на вход синусоидальный сигнал частотой 300 Гц со смещением постоянного тока V _CC/2 = 5 В. Амплитуда переменного тока регулируется до тех пор, пока не будет наблюдаться изменение на V _OUT. Как показано на рис. 4 , при подаче на вход 10 В (размах) выход V _OUT показывает ограниченный сигнал около положительной шины, но не около отрицательной шины. Это нежелательное поведение возле положительной шины – то, чего мы должны ожидать, если входной сигнал превышает V _CC – 0,8 В, или в данном случае 9.2В. Для уровней V _IN ниже 9,2 В и ниже 0 В, V _OUT показывает правильную форму волны, как и ожидалось.
Рисунок 4: V _OUT TLC2272 показывает ограничение, когда V _IN (Ch2) превышает 9,2 В.
Пример 2
С V _IN с центром на V _CC/2 = 2,5 В, V _IN увеличивается до 2,7 Vp-p с ожидаемым линейным поведением на V _OUT. Поскольку V _IN увеличивается примерно до 3.5 Vp-p (сосредоточено на 2,5 В), V _OUT продолжает следовать V _IN и демонстрирует правильное поведение операционного усилителя. Обратите внимание, что линейное поведение лучше, чем мы могли ожидать от пределов таблицы данных для V _ICMR, но оно все же превышает гарантированные пределы.
По мере увеличения V _IN до 3,52 Vp-p, V _OUT начинает демонстрировать нелинейное поведение как рядом с положительной (5 В), так и с отрицательной (0 В) шинами ( Рисунок 5 ). V _IN дополнительно увеличивается до 4.2 В (размах), что явно превышает V _ICMR. Когда входной пик превышает предел около положительной шины, сигнал на выходе V _OUT выходит, перескакивая на положительную направляющую (5 В), и остается там до тех пор, пока V _IN не вернется в допустимый диапазон (, рисунок 6). . Когда входной сигнал падает ниже предела около отрицательной шины, сигнал на выходе V _OUT демонстрирует изменение фазы, поскольку он переходит на среднюю направляющую (2,5 В) и отслеживает V _IN со смещением до тех пор, пока V _IN не возрастет. до приемлемого напряжения в пределах V _ICMR.

Рисунок 5: Начало нелинейного поведения выходного сигнала для TL971, когда V _IN = 3,52 Впик-пик.

Рисунок 6: Нелинейное поведение выхода TL971 при V _IN = 4,2 В (размах).
Эти примеры показывают, что различное нелинейное поведение может быть результатом разных типов операционных усилителей при превышении V _ICMR. Несмотря на то, что инверсия фазы привела ко второму случаю, обратите внимание, что инверсия фазы не происходит в на каждом операционном усилителе , когда нарушается V _ICMR – это просто зависит от ОУ.
Анализ постоянного тока
В предыдущих примерах мы использовали сигнал переменного тока для оценки V _ICMR для схемы операционного усилителя. Другой полезный тест – подать источник постоянного напряжения на вход схемы, показанной на рисунке 3. При изменении входа постоянного тока выходной уровень ведет себя аналогичным образом, за исключением того, что он не меняется со временем. В зависимости от типа схемы анализ переменного или постоянного тока (или того и другого) может быть полезен при ранней оценке операционного усилителя.
Преодоление проблемы V _ICMR
Что делать, если вы обнаружите, что не можете удовлетворить требования V _ICMR к своему операционному усилителю на поздних этапах процесса проектирования? Возможно, другие параметры устройства идеально подходят для вашего приложения, и поменять устройство действительно сложно.Один или несколько из следующих вариантов могут быть потенциальным решением:
(a) Если входная амплитуда слишком велика, используйте резисторный делитель, чтобы сигнал оставался в надлежащем диапазоне V _ICMR.
(b) Если проблема связана с смещением входного сигнала, попробуйте использовать схему смещения входа или смещения постоянного тока, чтобы поместить входной сигнал в указанный диапазон V _ICMR для операционного усилителя.
(c) Измените устройство на операционный усилитель с входом Rail-to-Rail, который отвечает всем вашим требованиям.
Список литературы
Скачать спецификации для операционных усилителей, используемых в этих примерах, можно здесь: OPA333 , TL971 , TLC2272 .
Загрузите бесплатную версию TINA-TI ™, программы аналогового моделирования на основе SPICE, используемой в следующих примерах: www.ti.com/tinati-ca .
Заключение
При выборе операционного усилителя помните, что диапазон входного синфазного напряжения – одна из наиболее важных характеристик, которую необходимо понимать.Если вход устройства не может принять уровни или диапазон вашего входного сигнала, вы наверняка столкнетесь с проблемами на выходе. Сначала проверьте эту важную деталь, и вы поблагодарите себя позже, когда ваша схема будет работать правильно – как и ожидалось!
Об авторе
Тодд Топорски – член технического персонала группы компаний Texas Instruments, специализирующийся на аналоговых приложениях. Тодд получил степень BSEE в Мичиганском технологическом университете в Хоутоне, штат Мичиган, и степень MSEE в Технологическом институте Джорджии, Атланта, Джорджия.Он имеет ряд патентов в области радио, аудио и силовой электроники. Тодда можно связаться по телефону
.
Благодарности
Автор хотел бы поблагодарить Лучана Попа, студента совместной работы, работавшего в TI на момент написания этой статьи, за его помощь в регистрации сигналов, используемых в этой статье, а также Арта Кея за полезный обзор и отзывы.
Внесены исправления
Подпись к рисунку 4: Заменено TL971 на TLC2272
Подпись к рисунку 5: Заменено TLC7722 на TL971
Подпись к рисунку 6: заменено TLC2272 на TL971
Уравнение на рисунке 1: заменено знаком «-» вместо знака «+»
Уравнение V _ICM = [V _IN (+) – V _IN (-)] / 2 изменено на V _ICM = [V _IN (+) + V _IN (- )] / 2
Работа с влиянием напряжения CommonMode
Чрезвычайное время нарастания сигнала, которое стало возможным благодаря полупроводникам с широкой запрещенной зоной, создает синфазные напряжения с частотой переключения и выше.Без соответствующих мер показания прибора покажут огромные отклонения от истинного значения. Мы представим возможные подходы к решению этой проблемы и обсудим их относительные достоинства.
Стремление к чистым и устойчивым источникам энергии всегда сопровождалось гонкой за большей эффективностью. Чистое производство энергии должно идти рука об руку с предотвращением потерь энергии. Поскольку на электродвигатели и системы с электроприводом приходится около 40% мирового потребления электроэнергии, переход на частотно-регулируемые приводы несет в себе огромный потенциал экономии энергии.Достижения в области полупроводниковых технологий, таких как SiC и GaN, позволяют создавать все более эффективные преобразователи частоты и инверторы, помогая сократить разрыв между экологически чистым производством и общим потреблением.
К сожалению, повышение эффективности оплачивается недостатками на стороне сигнала: повышенная скорость переключения приводит к чрезвычайно крутым фронтам нарастания и спада напряжения, что, в свою очередь, может вызвать серьезные проблемы с синфазным режимом. В этой статье мы сосредоточимся на последствиях синфазных напряжений для точного измерения мощности и эффективности.
Рисунок 1: Пример сигнала ШИМ
CMRR определяется как отношение мощностей дифференциального усиления к синфазному усилению, измеренное в положительных децибелах. Это определение ориентировано на усилители, но мы можем переопределить CMRR в более широком смысле, чтобы посмотреть, насколько хорошо инструмент может справиться с влиянием синфазного режима. В приборе довольно символическое «усиление» может быть определено как отношение между амплитудой, приложенной к входу измерительного канала, и результатом, отображаемым на экране; таким образом, он равен 1.Однако следует отметить, что восприимчивость прибора к влиянию синфазного сигнала не является прямым следствием CMRR его операционных усилителей, поскольку они вообще никогда не подвергаются воздействию синфазных сигналов. Скорее, CMRR является следствием множества асимметрий в конструкции аналогового сигнала, различной длины пути, паразитных емкостей и т. Д. Оставляя в стороне основные причины, мы рассмотрим три различных подхода, имеющихся на рынке для решения этой проблемы:
Подход №1: Очевидный подход – выбор инструмента (например,грамм. анализатор мощности или осциллограф), который уже предлагает отличный CMRR. С точки зрения сложности и удобства использования этот выбор имеет явные преимущества по сравнению с более сложными решениями, и с ним могут легко справиться менее опытные пользователи. Однако не все производители инструментов даже указывают свой CMRR, поэтому может быть сложно получить необходимую информацию для выбора подходящей модели в первую очередь. Важно правильно прочитать спецификацию: важен CMRR в желаемой рабочей точке, которая может быть значительно хуже, чем обычно указывается при 50/60 Гц.
Подход № 2: Использование искусственной звезды для измерения трехфазных систем. Этот подход дешев и тривиален в реализации, он просто требует дополнительного оборудования (в основном, комбинации из трех резисторов) между прибором и тестируемым устройством. К сожалению, он ничего не делает для смягчения проблем с синфазным напряжением при измерении сигналов с высокими значениями du / dt, что легко продемонстрировать, контролируя напряжение в нейтральной точке. Это все еще время от времени применяется, вероятно, из-за смешения влияния фазных напряжений с влиянием переключающих импульсов.Первые не имеют существенного отношения к проблемам с общим режимом.
Рисунок 2: Напряжение звезды с плавающей запятой
Подход № 3: Использование высококачественных дифференциальных пробников может устранить синфазные проблемы,
, пока достаточно указанного CMRR – применяются те же соображения, которые уже перечислены в параграфе о CMRR в приборах. Влияние на стоимость является значительным, и его необходимо принимать во внимание, играя с идеей экономии бюджета, выбирая недорогой прибор с плохой «встроенной» CMRR.Конечно, во многих случаях существующие пробники, которые также используются для неэнергетических измерений, могут быть повторно использованы для этой работы – хотя это может вызвать конфликты, когда требуются калиброванные измерения, как мы увидим ниже. Однако добавление датчиков усложняет измерительную установку. Это необходимо учитывать как при расчете неопределенности результатов измерений, так и при калибровке системы. Строго говоря, система должна быть откалибрована в целом, и для того, чтобы результаты оставались действительными, ее нельзя изменять ни в одной из ее частей – зонды должны оставаться подключенными к каналам, к которым они были подключены во время калибровки.Однако на практике это случается редко. Как правило, все компоненты калибруются отдельно, часто в разное время и, возможно, даже в разных точках работы. Вычисление правильной неопределенности измерения для комбинации всех частей цепи может стать трудоемкой задачей, которую необходимо выполнять кропотливо, чтобы получить достоверные результаты.
Независимо от того, оптимизируется ли CMRR в самом приборе или его измерительных принадлежностях, существует относительно простой тест для оценки эффективности принятых мер.На первом этапе ввод напряжения прибора необходимо замкнуть, чтобы устранить любую разницу потенциалов. Площадь проводящего контура, используемого для этой цели, должна быть минимальной, чтобы избежать нежелательной индуктивной связи токов утечки на землю. Как только входы закорочены, необходимо записать показания напряжения (U1). Он в основном показывает комбинацию смещения постоянного тока и минимального уровня шума измерительного канала. Затем фазное напряжение ИУ, например инвертор, необходимо применить к одному входу.2) = 19 “мВ” `
Соответственно, подавление синфазного сигнала при фазном напряжении 180 В с реальным сочетанием частот может быть рассчитано для этого примера как:
`CMRR = 20 * log⁡ (U _ (” см “) / U _ (” фаза “)) = 0,019 В ÷ 180 В ≈ -80 дБ`
Полученное значение -80 дБ отлично подходит для реалистичного сигнала ШИМ с крутыми фронтами.

Что означает синфазное напряжение в инструментальном усилителе?

Практические аспекты ОУ. Усиление синфазных сигналов

Коэффициент усиления синфазных сигналов

Теги

Диапазоны входных и выходных рабочих напряжений ОУ. Устраняем путаницу

Список опубликованных глав

Наши информационные каналы

синфазное напряжение – это.

Смотреть что такое “синфазное напряжение” в других словарях:

Синфазное входное напряжение – Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 2

Синфазное входное напряжение

Как установить синфазное напряжение при сопряжении усилителя с АЦП

Что такое «синфазный» шум? – СпросиСеть

Что такое синфазный шум?

Как может быть синфазный шум?

– Что означает синфазное напряжение в инструментальном усилителе?

Что такое синфазный сигнал на языке непрофессионала и почему мы заботимся о нем при изучении дифференциальных усилителей?

Пример для мотивации ответа

Ответ

Подробнее об обработке сигналов микрофона

Почему синфазное напряжение в среднем равно двум входным напряжениям в дифференциальном усилителе?

Что такое диапазон входного синфазного напряжения (CMVR)?

Основные подключения аналогового входного сигнала (часть 1)

Planet Analog – Вы нарушаете входной синфазный диапазон вашего операционного усилителя?

Работа с влиянием напряжения CommonMode

Добавить комментарий Отменить ответ

Синфазное напряжение: Что означает синфазное напряжение в инструментальном усилителе?

Что означает синфазное напряжение в инструментальном усилителе?

Практические аспекты ОУ. Усиление синфазных сигналов

Коэффициент усиления синфазных сигналов

Теги

Диапазоны входных и выходных рабочих напряжений ОУ. Устраняем путаницу

Список опубликованных глав

Наши информационные каналы

синфазное напряжение – это.

Смотреть что такое “синфазное напряжение” в других словарях:

Синфазное входное напряжение – Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 2

Синфазное входное напряжение

Как установить синфазное напряжение при сопряжении усилителя с АЦП

Что такое «синфазный» шум? – СпросиСеть

Что такое синфазный шум?

Как может быть синфазный шум?

– Что означает синфазное напряжение в инструментальном усилителе?

Что такое синфазный сигнал на языке непрофессионала и почему мы заботимся о нем при изучении дифференциальных усилителей?

Пример для мотивации ответа

Ответ

Подробнее об обработке сигналов микрофона

Почему синфазное напряжение в среднем равно двум входным напряжениям в дифференциальном усилителе?

Что такое диапазон входного синфазного напряжения (CMVR)?

Основные подключения аналогового входного сигнала (часть 1)

Planet Analog – Вы нарушаете входной синфазный диапазон вашего операционного усилителя?

Работа с влиянием напряжения CommonMode

Больше новостей

Добавить комментарий Отменить ответ