Опубликован: 26.05.2010 | Доступ: свободный | Студентов: 1593 / 256 | Оценка: 4.42 / 4.25 | Длительность: 56:51:00
ISBN: 978-5-9963-0124-9
Специальности: Разработчик аппаратуры

Лекция 25: Элементная база интеллектуальных сенсоров. Часть 1

Аннотация: Рассмотрены принципы построения и приведены важнейшие технические характеристики некоторых основных узлов интеллектуальных сенсоров: операционных, дифференциальных и радиоусилителей, мостовых схем, АЦП и микрокомпьютеров. Описаны методы борьбы с собственными и привнесенными шумами
Ключевые слова: интеллектуальный сенсор, дифференциальный усилитель, чувствительный элемент, мостовая схема, АЦП, микрокомпьютер, микропроцессор, микроконтроллер, микроконвертор, сенсор, объём, память, интерфейс, улучшение, фотодиод, технические характеристики, операционный усилитель, полевой транзистор, стационарное значение, сигнализатор, Прецизионность, analog device, источники шума, шумы, поле, генератор, значение, диапазон, место, экранирование, переменная, разность, аналого-цифровые преобразователи, точность, быстродействие, стоимость, аналоговый сигнал, разрядность, фирма, Texas Instrument, распознавание, форматирование, память программ, операции, ЦАП, EEPROM, супервизор, контроллер прерываний, MTP, siemens, программатор, флэш-память, UART, SPI, I2C, RS-232, SRAM, MIPS, TSSOP, PQFP, CSP, опорное напряжение, сигнал прерывания, instruction set, исполнение, схема источника

Цель лекции: ознакомить слушателей с современной элементной базой, применяемой при построении интеллектуальных сенсоров. Описать свойства и принципы применения операционных и дифференциальных усилителей, их номенклатуру, достигнутые технические параметры. Рассказать о природе собственных и привнесенных шумов усилителей и чувствительных элементов, дать рекомендации по способам борьбы с шумами и сторонними влияниями. Объяснить в связи с этим принципы работы дифференциальных пар чувствительных элементов и мостовых схем. Указать на возможность использования промышленных высококачественных интегральных узкополосных и широкополосных усилителей низкой, промежуточной и высокой частоты и готовых радиотрактов. Ознакомить с промышленно выпускаемыми АЦП и микрокомпьютерами. Объяснить разницу между терминами "микрокомпьютер", "микропроцессор", "микроконтроллер" и "микроконвертор". Указать на то, что именно они позволяют сделать сенсор "умным", интеллектуальным.

25.1. Электронные усилители

В этой и в следующей лекции мы рассмотрим принципы построения некоторых основных узлов интеллектуальных сенсоров. Их принято называть " элементной базой". В объём этого понятия входят: чувствительные элементы, усилители, типовые схемы сравнения, АЦП, микрокомпьютеры, узлы взаимодействия с пользователем (клавиатура, дисплеи), внутренняя память, внешний интерфейс и т.д., – из которых и строятся интеллектуальные сенсоры.

Сенсоры, в которых получаемые от чувствительных элементов (первичные) сигналы достаточно велики и не нуждаются в усилении, уже давно разработаны. Во вновь создаваемых сенсорах сигналы на выходах чувствительных элементов, как правило, очень слабы и не превышают нескольких милливольт или микровольт, нескольких наноампер или даже пикоампер. Поэтому обычно требуется усиление до 100000 раз по напряжению и даже в миллионы раз по электрическому току. Как правило, требуется не только усиление, но и согласование импедансов, улучшение соотношения сигнал/шум, иногда также электрическая изоляция ("развязка") чувствительных элементов и т.п.

Еще во времена, когда элементная база электроники состояла из отдельных транзисторов, резисторов, фотодиодов, конденсаторов, катушек индуктивности, был разработан ряд стандартных схем усиления для работы с типичными чувствительными элементами. Теперь все такие усилители выполняют в виде монолитных интегральных схем на одном кристалле или в виде гибридных интегральных схем на общей подложке в одном корпусе. В технической документации к ним и в справочниках, как правило, приводятся исчерпывающие технические характеристики усилителей и типовые схемы их подключения, принципы расчета параметров при решении разнообразных схемотехнических задач.

25.1.1. Операционные усилители

Одним из наиболее употребительных в сенсорике классов интегральных усилителей являются так называемые " операционные усилители " (ОУ). В электрических схемах их изображают в виде треугольника с двумя входами: "инвертирующим", который отмечают знаком "–", и "неинвертирующим", который отмечают знаком "+" ( рис. 25.1, а ).

Изображение операционного усилителя и основные режимы его использования

Рис. 25.1. Изображение операционного усилителя и основные режимы его использования

Операционный усилитель имеет высокий коэффициент усиления (105–106 и даже выше), низкий коэффициент собственного шума, широкий частотный диапазон, большое входное и малое выходное сопротивление, может надежно работать с электрическими емкостями. ОУ почти не чувствителен к синфазным помехам, которые действуют одновременно на оба его входа, малочувствителен к помехам по шине питания.

На рис. 25.1рис. 25.1 показаны типовые схемы использования ОУ. В неинвертирующих усилителях сигналов ( рис. 25.1, б ) с помощью резисторов R_1 и R_2 организуют цепь обратной связи. Этим обеспечивается точное значение коэффициента усиления

K=1+R_2/R_1, ( 25.1)
который является постоянным в широком частотном диапазоне и при изменениях температуры, если резисторы R_1 и R_2 сделаны из одного материала. От глубины обратной связи зависят также линейность и выходной импеданс усилителя. В случае 100%-й обратной связи ( рис. 25.1, в ) ОУ работает как повторитель напряжения: коэффициент усиления напряжения практически равен 1, а коэффициент усиления тока может быть очень высоким (до 106 и выше). Такая схема является также преобразователем импеданса, так как имеет высокий входной и малый выходной импеданс.

На рис. 25.1, г показан "зарядовый" усилитель, предназначенный для восприятия очень слабых сигналов от емкостных элементов, когда электрический заряд изменяется на единицы пикокулона (10–12 Кл) или скорость изменения заряда составляет порядка единиц пикоампера (10–12А). Это по сути преобразователь малых изменений электрического заряда в заметные изменения напряжения на выходе ОУ с чувствительностью до 1 В/пКл. Цепь обратной связи замыкается здесь через конденсатор С, который должен быть высококачественным и иметь очень большое сопротивление стеканию электрических зарядов.

Слабые сигналы от тех чувствительных элементов, которые действуют подобно к источнику тока, например, от фотодиодов, усиливают с помощью типовой схемы, показанной на рис. 25.1,д. Чувствительный элемент в такой схеме работает при почти нулевой и почти неизменной разности потенциалов, а напряжение на выходе

U_{\textit{вых}}=-i_{\textit{вх}}R_2 ( 25.2)

Для надежной работы схемы номинал резистора R_2 должен быть намного больше, чем номинал резистора R_1.

Операционные усилители реализуют как на биполярных, так и на комплементарных полевых транзисторах со структурой "метал - диэлектрик - полупроводник" (КМДП). Имеются и смешанные "биполярно-полевые" варианты ОУ, где полевые транзисторы используют лишь на входе для обеспечения высокого входного сопротивления и малого входного тока.

Идеальный ОУ имел бы бесконечный коэффициент усиления по напряжению, бесконечно большое входное и нулевое выходное сопротивление, неограниченный диапазон частот усиливаемых сигналов, независимость от температуры и других внешних воздействий. В реальных ОУ не удается одновременно приблизиться ко всем идеальным параметрам. Поэтому наряду с ОУ широкого потребления, которые выпускаются многомиллионными тиражами, и в которых в равной мере оптимизированы одновременно все параметры, ныне разработаны и выпускаются также ОУ специальных типов с оптимизацией одного-двух важнейших параметров:

  • прецизионные (или высокоточные ) ОУ, в которых минимизируются напряжение смещения U_{\text{см}} (разность потенциалов на входах в мкВ, при которой выходное напряжение точно равно нулю) и его долговременный и температурный дрейф (в мкВ/месяц и мкВ/ \deg С); стараются сделать максимальными коэффициент усиления напряжения (1 В/мкВ и выше), коэффициенты подавления синфазных помех (КПСП) и помех по шинам питания;
  • быстродействующие ОУ, в которых стремятся сделать наибольшими предельную частоту усиления f_{\text{{гр}} (на которой коэффициент усиления уменьшается на 3 дБ по сравнению с максимальным значением на средних частотах), скорость роста выходного напряжения (В/мкс) и минимизировать время установления (время, на протяжении которого после изменения входного напряжения устанавливается новое стационарное значение выходного напряжения с точностью до 0,1%);
  • ОУ с минимальным потреблением мощности, в которых при сохранении функциональных параметров максимально уменьшают ток потребления от источника питания и рассеиваемую мощность;
  • ОУ с минимальным собственным шумом, в которых стремятся по возможности уменьшить приведенные ко входу среднеквадратичные напряжение и ток шума (в нВ/Гц1/2 и пА/Гц1/2);
  • мощные ОУ, в которых для непосредственного управления каким-либо сигнализатором или актуатором обеспечивают большой выходной ток, малое выходное сопротивление, большую суммарную выходную мощность, устойчивость против короткого замыкания выхода.

Основные параметры некоторых типов ОУ приведены в табл. 25.1.

Таблица 25.1. Основные параметры некоторых типов операционных усилителей
Основные параметры Примеры ОУ широкого применения
140УД6 140УД7 140УД8 LF441
Напряжение питания, В \pm 5 – \pm 18 \pm 5 – \pm 18 \pm 5 – \pm 18 \pm 5 – \pm 18
Коэффициент усиления, В/мВ 50 50 50 50
КПСП, дБ 70 70 80 70
U_{\text{см}}, мВ 6 4 20 5
Входной ток, нА 50 200 0,2 0,1
Входное сопротивление, МОм 3 0,4 1000 -
f_{\text{гр}}, МГц 1 0,8 1 4
Скорость роста, В/мкс 2,5 0,7 5 15
Ток питания, мА 4 3 5 0,25
Максимальный выходной ток, мА 5 5 5 4
Выходное сопротивление R_{text{вых}}, Ом 150 150 200 -
Основные параметры Примеры прецизионных ОУ
140УД21 MAX400 ICL7652 OPA177 LMC6001
Напряжение питания, В \pm 12 – \pm 20 \pm 3 – \pm 18 \pm 2,5 – \pm 8 \pm 15 \pm 5 – \pm 15
Коэффициент усиления, В/мВ 1000 1000 6000 3000 5000
КПСП, дБ 120 120 120 - 75
U_{\text{см}}, мВ 0,05 0,01 0,005 0,01 0,35
Входной ток, нА 1 1 0,03 1,5 25 фА
Входное сопротивление, МОм - 60 - - >1 ТОм
f_{\text{гр}}, МГц 3 0,6 0,45 0,4 1,3
Скорость роста, В/мкс 2,5 0,3 0,6 0,1 1,5
Ток питания, мА 5 - 2 - 0,75
Максимальный выходной ток, мА - 5 - 12 20
Выходное сопротивление R_{text{вых}}, Ом - 60 - - -
Основные параметры Примеры быстродействующих ОУ
574УД3 154УД4 SL2541B MAX437 ОРА641 AD8055
Напряжение питания, В \pm 5 – 16,5 \pm 5 – 17 \pm 7 – 15 \pm 4,5 – 18 \pm 5 – 15 \pm 5
Коэффициент усиления, В/мВ 50 8 10 7000 1 3
КПСП, дБ 80 70 47 112 - 82
U_{\text{см}}, мВ 2 6 10 0,015 2 5
Входной ток, нА 0,3 1200 10000 35 - 1000
Входное сопротивление, МОм 1000 1 - - - 10
f_{\text{гр}}, МГц 15 30 800 60 800 300
Скорость роста, В/мкс 50 400 900 15 650 400
Ток питания, мА 3,5 7 25 4 - 5
Максимальный выходной ток, мА 5 5 10 15 55 60
Выходное сопротивление R_{text{вых}}, Ом - - - 70 - -
Основные параметры Примеры ОУ с минимальным потреблением
MAX438 MAX480 MAX406 AD8541 140УД12
Напряжение питания, В \pm 3 – 5 \pm 0,8 –18 2,5-10 2,7-5,5 \pm 1,5 – 18
Коэффициент усиления, В/мВ 6 1000 1000 300 50
КПСП, дБ 90 190 80 80 70
U_{\text{см}}, мВ 0,5 0,075 0,5 5 5
Входной ток, нА 2 3 0,0001 0,004 50
Входное сопротивление, МОм 90 30 - - 50
f_{\text{гр}}, МГц 6 0,02 0,02 0,7 1
Скорость роста, В/мкс 10 0,01 0,02 0,7 0,8
Ток питания, мА 0,075 0,015 0,0012 0,04 0,03
Максимальный выходной ток, мА 3 1 - 25 2
Выходное сопротивление R_{text{вых}}, Ом - - - - 1000

Просим принять во внимание, что ОУ, как и другие элементы микроэлектроники, все время совершенствуются, и приведенные данные относительно быстро могут устареть.

25.1.2. Дифференциальные усилители

Иначе устроены так называемые "дифференциальные" или "измерительные" усилители, которые промышленность тоже выпускает ныне в виде миниатюрных интегральных схем. Основная их функция – это формирование выходного сигнала, пропорционального разности напряжений на двух его входах

U_{\textit{вых}}=K(U_{\textit{вх}1}-U_{\textit{вх}2})=K\Delta U ( 25.3)

Коэффициент усиления K у них обычно порядка 100–1000, чувствительность – несколько микровольт. Синфазные помехи, которые одновременно поступают на входы, ослабляются на 100–120 дБ.

Фирма Analog Device, например, выпускает отличные дифференциальные усилители AD8129, AD8350-20, AD8351 и AD8390 в корпусах типа SO-8, MSOP-10, LFCSP-16, QSOP-epad-16 с шириной частотной полосы соответственно 200; 700; 3000 и 60 МГц (на уровне –3 дБ), с плотностью собственного шума соответственно 4,5; 1,7; 2,7 и 8 нВ/Гц1/2, которые могут питаться от напряжения 5-10 В и 10-24 В (AD8390).

25.1.3. Мостовые схемы

Дифференциальные усилители часто используют при работе с так называемыми " мостовыми схемами ", которые называют еще " мостами Уинстона ". Их применяют тогда, когда под действием изменений в контролируемом объекте или процессе чувствительный элемент изменяет свою электропроводность, емкость или индуктивность или в общем случае – свой электрический импеданс. Принципиальная электрическая схема моста Уинстона показана на рис. 25.2. Здесь U_{\text{оп}} – стабилизированный источник опорного (эталонного) напряжения. Импедансы Z_1, Z_2, Z_3, Z_4 могут быть активными, реактивными или комплексными. Расчет показывает, что дифференциальное напряжение на выходе моста

U_{\textit{диф}}=U_{\textit{оп}}[Z_1/(Z_1+Z_2)-Z_3/(Z_3+Z_4)] ( 25.4)

Оно равняется нулю, если мост "сбалансирован", т.е. когда выполняется соотношение

Z_1/Z_2=Z_3/Z_4 ( 25.5)

Принципиальная электрическая схема моста Уинстона

Рис. 25.2. Принципиальная электрическая схема моста Уинстона

При изменении импеданса любого из плеч моста его баланс нарушается, и на выходе появляется разность напряжений. На практике чаще всего изменяется лишь один импеданс – импеданс чувствительного элемента.

Для компенсации влияния таких внешних факторов, как температура, давление, сторонние электрические или магнитные поля часто используют 2 одинаковых чувствительных элемента, которые симметрично включают в разные плечи моста (например, Z_1 и Z_3 ). Один из них "следит" за контролируемым объектом или процессом, а другой изолирован от него. Тогда все сторонние внешние факторы одинаково влияют на оба чувствительных элемента и не приводят к разбалансировке моста. Одинаково реагировать на изменения внешних факторов должны также импедансы Z_2 и Z_4. С этой целью их обычно делают идентичными. Разбалансировка моста и выходное напряжение U_{\text{диф}} определяются в таком случае лишь изменениями в контролируемом объекте или процессе.

Чтобы повысить линейность и точность сенсора, нередко используют автоматическую нуль-балансировку моста ( рис. 25.3).

Принцип автоматической нуль-балансировки моста: ДУ – дифференциальный усилитель; Рг – регулятор

Рис. 25.3. Принцип автоматической нуль-балансировки моста: ДУ – дифференциальный усилитель; Рг – регулятор

Напряжение с выхода дифференциального усилителя ДУ подается на регулятор Рг, который в зависимости от знака этого напряжения может изменять величину импеданса Z_2 в ту или другую сторону. Лишь когда мост полностью сбалансирован, напряжение на выходе усилителя равно нулю, и импеданс Z_2 перестает изменяться. Регулятор Рг выдает на свой выход величину изменения импеданса Z_2, которая пропорциональна изменению импеданса чувствительного элемента Z_1.

Благодаря автоматической нуль-балансировке чувствительный элемент все время работает при неизменном напряжении, и никаких нелинейностей, связанных с изменением напряжения на нем, не возникает. В состав регулируемого импеданса Z_2 может входить, например, полевой транзистор, сопротивление которого изменяется при изменении потенциала на "затворе". Регулятор может быть также оптоэлектронным (тогда в его состав входит светодиод, а в состав импеданса Z_2 – фоторезистор) или, скажем, магнитным (тогда в состав регулятора входит катушка подмагничивания, а в состав импеданса Z_2 – катушка индуктивности, намотанная на тот же магнитопровод).

В радиосенсорах широко используют ныне промышленные интегральные усилители высокой, промежуточной и низкой частоты. Они бывают узкополосными ("резонансные", настроенные на какую-то одну частоту) и широкополосными. В широкополосных усилителях коэффициент усиления остается приблизительно постоянным в довольно широком диапазоне частот. Выпускаются также микросхемы, в которых сформирован даже целый радиотракт (УВЧ, преобразователь частоты, УПЧ, демодулятор и УНЧ).