Проектирование прецизионных помехоустойчивых импульсных усилителей токовых сигналов для магнитострикционных преобразователей

В магнитострикционных преобразователях параметров движений (МППД) магнитоупругих волны, проходя через среду акустоэлектрического преобразователя (ПАЭ), вызывают ток в его внешней цепи. Величина этого тока зависит в первую очередь от количества витков и конфигурации намотки ПАЭ, от магнитных и упругих свойств материала акустического волновода (АВ), а также от параметров токовых сигналов из формирователя импульсов тока возбуждения (ФИТВ) и может составлять от долей наноампер до единиц микроампер. При этом длительности полезных измерительных сигналов могут составлять 3,0…5,0 мкс, а паразитных от 3,0 до 80,0 мкс, период повторения которых зависит от цикла преобразования и может находиться в диапазоне 0,1…10,0 мс [1].

Сигнал с выхода ПАЭ (рисунок 1), через контакты электрического соединителя Х1:1 и Х1:2 поступает на вход импульсного усилителя токовых сигналов (УИТС). Усилитель преобразует ток в напряжение с виртуальной землей, которая служит для усиления малых и сверх малых токов от единиц миллиампер и ниже, вплоть до долей пикоампер.

Рисунок 1 – Импульсный усилитель токовых сигналов

В качестве операционного усилителя (ОУ) используется малошумящий усилитель со следующими характеристиками [3]:

• тип усилителя – AD8014 фирмы Аnаlоg Devices;

• полоса пропускания – 400 мГц;

• скорость нарастания – 4000 В/мкс;

• спектральная плотность шумового напряжения – 3,5 нВ/;

• шумовой ток – 5 пА/;

• питание +12 В;

• потребление – 1,1 мА

Указанный усилитель обеспечивает большую скорость нарастания выходного напряжения и широкую полосу пропускания, что очень важно для исследования и практического применения в импульсных усилителях первичного преобразователя магнитострикционных приборов.

Большой собственный коэффициент усиления ОУ приводит к тому, что инвертирующий вход является виртуальный землей. Поэтому ток, протекающий через резистор R_ос равен току I_вх. Следовательно, выходное напряжение определяется соотношением U_вых = –R_ос ∙ I_вх.

Коэффициент преобразования равен:

,

где: – коэффициент усиления ОУ; R_экв – эквивалентное сопротивление между входом усилителя и землей, включающее в себя сопротивление источ­ника тока и дифференциальное входное сопротивление ОУ.

Входное сопротивление определяется следующим образом: (при А_v ∙ R_экв » R_ос).

Нижний предел измеряемого тока определяется входным напряжением смещения, входными токами операционного усилителя и их дрейфами. Для того чтобы свести к минимуму погрешности схемы, необходимо учесть моменты, рекомендуемые при проектировании преобразователя тока в напряжение [2].

Уменьшение погрешности смещения импульсного усилителя токовых сигналов. При малых входных токах (менее 1 мкА) лучше использовать ОУ с полевыми входами, имеющие незначительные входные токи. Также необходимо стремиться к тому, чтобы выполнялось условие R_экв » R_ос, так как иначе входное напряжение смещения будет дополнительно усиливаться (коэффициент усиления для напряжения смещения определяется соотношением K_Uсм = –R_ос/R_экв). Погрешность, связанную с входными токами можно уменьшить, включением дополнительного резистора R_доп, равного R_ос между неинвертирующим входом и землей. При этом общее входное смещение будет равно U_см.вх + R_ос∙ΔI_см.вх, где ΔI_см.вх – разность входных токов ОУ. Для ограничения высокочастотных шумов дополнительного резистора R_доп, и предотвращения самовозбуждения ОУ необходимо параллельно ему включить шунтирующий конденсатор С_ш (10 нФ...100 нФ).

При работе с очень малыми токами могут возникнуть значительные погрешности, связанные с токами утечек. Поэтому необходимо использовать охранное кольцо [2, 4], на котором они замыкаются. Охранные кольца изготавливаются из фольги печатной платы, полностью окружают входы ОУ и минимизируют эффект любой поверхностной утечки. Для достижения максимального эффекта, защитные кольца должны быть расположены на обеих сторонах печатной платы. Плату необходимо тщательно очистить и изолировать для предотвращения поверхностной утечки, а охранные печатные проводники должны быть подключены к точке нулевого потенциала ОУ. Наконец, для получения очень малых токов утечки (порядка пикоампер) при монтаже входных цепей рекомендуется использовать стойки из фторопласта. Чтобы уменьшить дрейф входных токов от температуры следует ограничить тепло, выделяемое самим ОУ. Для этого лучше снизить напряжение питания до минимума. Кроме того, к выходу ОУ не стоит подключать низкоомную нагрузку (общее сопротивление нагрузки должно быть не менее 10 кОм), а использовать для этих цепей буферные каскады.

Уменьшение влияния шума и помех на выходной результат усилителя. Выходной шум ОУ складывается из трех основных компонентов: шум резистора R_ос, входное шумовое напряжение ОУ и входной шумовой ток ОУ. Для ОУ с большим коэффициентом усиления при R_ос > 1 Мом преобладает шум, генерируемый резистором R_ос. Входное шумовое напряжение ОУ умножается на коэффициент усиления для шума (pиcунок 2). Как правило, этот коэффициент возрастает с ростом частоты, что ведет к появлению значительного высокочастотного шума. Входной шумовой ток ОУ умножается на величину R_ос и в таком виде появляется на входе.

Усилитель импульсных токовых сигналов в напряжение с большим коэффициентом усиления является высокочувствительным, высокоомным изделием. Поэтому для защиты от помех необходимо заключать их в экранирующий корпус и проводить правильную развязку по питанию.

Уменьшение погрешности коэффициента усиления. Операционный усилитель и резистор обратной связи необходимо выбирать так, чтобы А_v ∙ R_экв » R_ос, иначе могут возникнуть большие погрешности коэффициента усиления и нелинейность выходной характеристики. Необходимо использовать высокостабильные прецизионные резисторы с малым дрейфом на основе металлических или металлоокисных пленок, например, отечественные резисторы типа С2-29В [5]. Эти резисторы предназначены для работы в высокоточных электрических цепях постоянного, переменного и импульсного токов. Уровень шумов до 0,5 мкВ/В. Допустимое отклонение до ±0,05 %. Температурный коэффициент сопротивления ТКС составляет до ±5·10^-6 1/^°С. Для исключения влияния влажности на параметры усилителя, печатную плату с размещенными на ней элементами покрывают силиконовым лаком.

Рисунок 2 – Устойчивость импульсного усилителя токовых сигналов с виртуальной землей

Уменьшение влияния емкости источника сигнала. Конечная емкость источника сигнала C_и может привести к неустойчивости схемы, особенно при использовании длинных входных проводников от акустоэлектрического преобразователя до усилителя импульсных сигналов. Этот конденсатор на высоких частотах вносит фазовое запаздывание в петле обратной связи ОУ. Проблема решается включением конденсатора небольшой емкости C_ос (50 пФ...200 пФ) параллельно резистору R_ос, графическая иллюстрация данного способа показана на рисунке 2. Кроме того, для исключения действия помех на линию связи ПАЭ с усилителем импульсных сигналов, необходимо использовать витую пару помещенной в экранированную оболочку. Экран должен быть изолирован от корпуса и соединен с общей точкой ОУ. Такое техническое решение позволяет принимать измерительную информацию с акустического тракта без искажения, следуемую с частотой 0,11...19,2 кГц [6].

Литература:

1. В.Н. Прошкин Конструкторско-технологические способы совершенствова­ния магнитострикционных преобразователей линейных перемещений для специальных условий эксплуатации: Дис…канд. техн. наук. – Астрахань, 2007. – 173 с.

2. А. Дж. Пейтон, В. Волш. Аналоговая электроника на операционных усилителях. М.: «БИНОМ», 1994. – 352 с.

3. Операционные усилители и компараторы. – М.: Издательский дом «Додэка – ХХI», 2001. – 506 с.

4. Интегральные микросхемы: Перспективные изделия. Выпуск 2 – М.: ДОДЭКА, 1996. – 96 с.

5. А.И. Аксенов, А.В Нефедов. Элементы схем бытовой радиоаппаратуры. Конденсаторы. Резисторы: Справочник. – М.: Радио и связь. 1995. – 272 с.

6. П. Хоровиц, У. Хилл. Искусство схемотехники.: в 2-х томах. Пер. с англ . – М.: Мир, 1983. – Т. 2. – 590 с.