FT: XXXIII. Instrumental Amplifier

Mostek Wheatstona znany jest od 1843 roku. Ideę jego zaproponował jednak 10 lat wcześniej Samuel Christie. Jego wariacją jego mostek Thomsona używany dla małych oporności. Galwanometr lusterkowy jako wskaźnik zrównoważenia mostka czyli zera zauważalnie detekował prądy na poziomie kilkudziesięciu nanoamperów.

Mostki zasilane napięciem przemiennym służą do oznaczania wartości pojemności oraz indukcyjności i ich dobroci. Odkryto je w latach siedemdziesiątych XIX wieku: Wiena, Wagnera , Maxwella, Boucherota, Scheringa, Behrendta.

Klasyczne mostki służą do pomiaru parametru w laboratorium. Pomiar jest powolny.

Od lat pięćdziesiątych znane są lepsze konfiguracje dla przyrządów pomiarowych niż mostki, szczególnie zmiennoprądowe. Na początku lat siedemdziesiątych pojawiły się multimetry DVM o rozdzielczości 6 1/2 cyfry oczywiście tylko na zakresach stałoprądowych i zakresach omomierza. Dokładność pomiaru na zakresach zmiennoprądowych AC ogranicza aktywny prostownik lub przetwornik wartości skutecznej RMS i skompensowane pojemnościami wejściowe dzielniki napięć.

Konstrukcje uniwersalnego precyzyjnego miernika LCZ Hewlett Packard 4276 opisano w HP Journal July, 1983. Skomputeryzowany przyrząd ( użyto w nim mikroprocesora Z80B ) ma interfejs do komputera i może też sterować selekcją mierzonych elementów elektronicznych ( funkcją „komparator” ) na linii produkcyjnej. W tym zastosowaniu cykl pomiaru może być skrócony kosztem dokładności i kompletności pomiaru ( przykładowo zamiast normalnego pomiaru pojemności i dobroci mierzy się tylko pojemność ), które nie zawsze są wymagane.

Przy częstotliwościach mikrofalowych mierzy się parametry S elementów.

Natomiast w „mostki” ( jest mierzona wielkość niezrównoważenia ) aranżowane są sensory pomiarowe „strain gauge” czyli tensometry do pomiaru siły a także piezorezystancyjne sensory siły i ciśnienia oraz akcelerometry. Jako mostki pracują sensory magnetorezystancyjne i sensory pola magnetycznego Halla. Aranżacja sensorów w mostki daje zdecydowanie najlepsze wyniki z racji autokompensacji dryftów poszczególnych sensorów składowych mostka.

Sensory zaaranżowane w Mostek dają różnicowy sygnał wyjściowy na tle dużego sygnału wspólnego. Do współpracy z nim stosuje się Wzmacniacz Instrumentalny.

Wzmacniacz instrumentalny stosuje się w systemie z multiplexowanymi sensorami RTD, PT100 szczególnie w układzie trójprzewodowym.

Wzmacniacze instrumentalne wzmacniają elektryczne różnicowe sygnały pracy serca z elektrod EKG oraz pracy mózgu z elektrod EEG. Napięcie polaryzacji elektrod EKG jest bardzo duże na tle sygnału użytecznego z serca. Dzięki odbiorowi różnicowemu sygnału z elektrod zostaje ono w dużym stopniu wyeliminowane. Wejścia wzmacniacza instrumentalnego w EKG muszą być dobrze chronione przez elektrycznością statyczną a w EKG z defibrylatorem przed potężnym impulsem defibrylacji. Sygnał EKG ma amplitudę kilku miliwoltów. Poważanym zakłóceniem którego chcemy się pozbyć jest promieniowane przez sieć energetyczną i odbierane przez ciało pacjenta zakłócenie 50/60 Hz. Sygnał EKG od nieruchomego pacjenta filtrowany jest górnoprzepustowo filtrem 0.05 Hz a od ruchomego pacjenta filtrem 0.5 Hz. Filtr górnoprzepustowy o częstotliwości 0.5 Hz zniekształca już widocznie sygnał EKG serca ale pozwala pozbyć się większych zakłóceń od pracujących mięśni pacjenta.

Dawny pomiarowy mostek rezystancyjny miał zasilanie ( z baterii ) natomiast ( izolowany od wszystkiego ) galwanometr nie miał zasilania. W takim rozwiązaniu nie istniał problem sygnału wspólnego. Współpracujące z mostkiem układy elektroniczne mają wspólne z mostkiem, nieizolowane zasilanie i powstaje problem z odbiorem niewielkiego sygnału różnicowego z mostka na tle dużego sygnału wspólnego.

Przykładowo mostek tensometryczny zasilany jest napięciem GND i 10 Vdc. Wyjściowy sygnał wspólny w stosunku do GND wynosi circa 5 V a maksymalny sygnał wyjściowy z mostka wynosi zaledwie 20-40 mV ! Przy optymistycznym maksymalnym sygnale 40,96 mV kwant współpracującego 12 bitowego przetwornika A/D wynosi 10 uV. Wzmacniacz instrumentalny musi więc mieć małe szumy oraz bardzo wysokie tłumienie sygnału wspólnego.

Błędy mostka tensometrycznego sprawiają że zwykle niecelowe jest użycie przetwornika A/D dokładniejszego niż 12-14 bitów.

Współczynnik temperaturowy oporności konstantanu z którego często wykonane są tensometry jest mały i wynosi przy temperaturze 20C 8 ppm/K.

Współczynnik temperaturowy oporności miedzi z której wykonane są przewody zasilające tensometr jest blisko 200 razy większy. Przy wzroście temperatury spadnie więc napięcie zasilające mostek tensometryczny. Trzeba zastosować połączenie Kelwina lub zasilać mostek stałym prądem a nie napięciem. Zwróćmy uwagę że skutkiem wzrostu temperatury i oporności przewodu zasilającego wzrasta napięcie zasilania podane do przewodów i napięcie wspólne mostka ! Stąd wysokie wymagania na tłumienie sygnału wspólnego.

Natomiast przy zasilaniu symetrycznym +5V i -5V utrzymującym jedno wyjście mostka na poziomie GND napięcie wspólne jest bliskie zeru !

Czułość scalonych mostków piezorezystancyjnych spada z temperaturą. Sensor ciśnienia KP101A Philipsa ma wbudowany tranzystor z rezystorami podnoszący napięcie zasilania mostka przy wzroście temperatury co powoduje wzrost napięcia wspólnego. Wymagania na CMRR wzmacniacza instrumentalnego są surowe. Alternatywnie można mostek zasilać prądem co także stabilizuje czułość sensora i zmienia napięcie wspólne wraz z temperaturą. Przy zasilaniu mostka napięciem użytym też dla przetwornika A/D system jest ratiometryczny i wymagania na tłumienie są liberalne. Ale w tym wypadku trzeba mierzyć temperaturę sensora lub otoczenia i programowo korygować czułość sensora. Jest więc „coś za coś” czyli angielskie trade-off.

Jeśli mikrokontroler ma zapas wydajności a temperatura jest mierzona także z innego powodu to należy zastosować prostą korekcję programową co pozwoli oszczędzić sporo na wzmacniaczu instrumentalnym.

Sensor KP101A wydaje się niedojrzały. Powinien być co najmniej scalony z trymowanymi laserowo rezystorami i termistorami aby miał stałą czułość temperaturową i niezmienne wyjściowe napięcie wspólne lub lepiej scalony ze wzmacniaczem i trymowanymi elementami.

Tak samo jest z mostkiem elementów magnetorezystancyjnych !

Z kolei kłopotliwa wysoka oporność wyjściowa mostka elementów Halla powoduje że trzeba go scalić ze wzmacniaczem.

Sygnał z mostka sensora może docelowo służyć do różnych celów. Może być prezentowany człowiekowi miernikiem magnetoelektrycznym o dokładności circa 1%. Może być dokładnie prezentowany miernikiem cyfrowym. Może jako standardowy w systemie automatyki sygnał 0-10V lub 4-20mA być podany do systemu automatyki. Może być przetwarzany za IA na wartość cyfrową przetwornikiem A/D lub przetwornikiem A/D metody podwójnego całkowania bez IA, w urządzeniu którego jest częścią.

Oczekiwania od Wzmacniacza Instrumentalnego ( może być zbędny ) zależą od konkretnego zastosowania.

Poświęćmy chwilę uwagi mostkom tensometrycznym stosowanym do nadzorowania budynków, mostów i tam hydroelektrowni.

Zalety betonu jako materiału konstrukcyjnego znane były już w Rzymie. Normy krajowe i międzynarodowe ustalają wymagania dla poszczególnych rodzajów cementów i betonów. Beton ma niestety małą wytrzymałość na ścinanie i rozciąganie. Odporny jest tylko na ściskanie. Żelazobeton ma lepsze właściwości wytrzymałościowe a jeszcze lepszy jest beton sprężony. Dwutlenek węgla i wilgoć z powietrza wnikają przez szczeliny do betonu lub żelazobetonu i dwutlenek węgla wiąże się z wodorotlenkiem wapnia tworząc węglan wapnia. Jeśli powierzchnia betonu nie jest chroniona penetracja odbywa się z prędkością 0.3-1mm rocznie, zależnie od jakości betonu. Karbonizacja nie osłabia betonu. Wysoka zasadowość betonu chroni stal zbrojeniową żelazobetonu przed korozją. Gdy karbonizacja radykalnie zmniejszająca pH betonu dociera do stali rozpoczyna się jej korozja wilgocią. Ponieważ powstająca rdza ma pięciokrotnie większą objętość niż żelazo powstają wielkie naprężenia otaczającego stalowy pręt betonu doprowadzające do kruszenia się i pękania betonu.

Z niezbrojonego (!) betonu wykonuje się masywne tamy hydroelektrowni. Ponieważ proces wiązania betonu jest egzotermiczny, przez beton tamy przechodzą ruchy chłodzące wodą wiążący się beton. Rury te są następnie usuwane ! Niekruszący się beton tamy potrafi się przez 60 lata umacniać ! Może trwać i tysiąc lat.

Powierzchnie żelazobetonu można a czasem należy chronić aby zwiększyć żywotność konstrukcji. Każdy most testuje się pod obciążeniem przed oddaniem do użytku. Z testu znamy ugięcia i odpowiedzi impulsowe mostu i jego częstotliwości własne. Ponieważ dotarcie do zbrojenia w masywnej konstrukcji jest praktycznie niemożliwe lub wykluczone co jakiś czas lub ciągle monitoruje się odpowiedź mostu lub budynku. Alarmujący sygnał może pochodzić od kierowców stojących w korku na moście stwierdzających dziwne, inne niż dawniej, drgania. Gdy odpowiedź wskazuje na znaczne osłabienie konstrukcji trzeba ją remontować lub rozebrać czyli wyburzyć. Osłabienia obiektów żelbetonowych są nieuniknione ! Obiekty infrastruktury są bardzo kosztowne ale infrastruktura zbudowana tam gdzie trzeba jest generalnie rentowna w szerokim sensie. Gdy most był budowany niechlujnie i w pośpiechu może się okazać że już po 30-50 latach trzeba go wyburzyć bowiem dalsze remonty są bezcelowe.

Przed korozją trzeba chronić mosty stalowe. Skutkiem obciążeń dynamicznych w metalach pojawiają się także zmęczeniowe mikropęknięcia. Okresowa lub ciągła obserwacja z mostków tensometrycznych umieszczonych na konstrukcji mostu pozwoli na czas odciążyć most zmniejszając ruch lub remontować most.

Życie ludzie ma określoną cenę. Zawalenie się eksploatowanego za długo mostu drogowego może zabić w katastrofie kilkadziesiąt osób. Koszt ich życia jest mniejszy niż koszt mostu. Ale katastrofa taka źle działa na całe społeczeństwo i gospodarkę dając wynikowo potężne straty. Lepiej jest wcześniej wytyczyć szlaki zastępcze i most rozebrać nie czekać na kumulacje czynników obciążających ( wichura i duży ruch ) i katastrofę.

Gwałtowna katastrofa wielkiej tamy hydroelektrowni może zabić kilkadziesiąt tysięcy ludzi lub więcej.

Mostkami tensometrycznymi waży się samochody i wagony kolejowe. Można ocenić ile węgla do elektrowni wiózł cały skład pociągu z kopalni.

Dlaczego upieramy się przy nieizolowanym zasilaniu mostka ? Otóż dlatego że możemy zachować cenną cechę ratiometryczności systemu zasilając przetwornik referencyjnym napięciem takim samym jak mostek pomiarowy kompletnie eliminując z bilansu błędów napięcie odniesienia. Cena źródła napięcia odniesienia zależy od jego dryftu temperaturowego i może być znaczna.

Mostki tensometryczne są dość stabilne. Aby interfejs wnosił znacznie mniejsze błędy niż sam mostek konieczne jest użycie wzmacniacza instrumentalnego o tłumieniu sygnału wspólnego rzędu 100-120 dB a więc bardzo duże.

Dla jasności wykładu trzeba podjąć temat wzmacniacza operacyjnego. Dawniej wzmacniacz operacyjny a co dopiero wzmacniacz instrumentalny nie były „gotową cegła z której stawiało się mur”. Przykładowo konstruktor pH-metru dawniej sam musiał zaprojektować i wykonać odpowiedni, krytyczny wzmacniacz. Obecnie w złożonych układach scalonych stosowane są jako podsystemy wzmacniacze operacyjne, najczęściej prostsze lub dużo prostsze niż typowy układ komercyjny wzmacniacza.

Pierwsze lampowe wzmacniacze operacyjne zastosowano w analogowych komputerach współpracujących z radarami przeciwlotniczymi pod koniec wojny. Wyliczały one ustawienia armat przeciwlotniczych a później wyznaczały nawet trajektorie lotu sterowanej rakiety przeciwlotniczej. Ale już pod koniec lat trzydziestych w lampowych analizatorach różniczkowych czyli maszynach analogowych krystalizowała się idea wzmacniacza operacyjnego.

Pierwszy komercyjny moduł K2-W dwulampowego ( obydwie lampy są typu 12AX7 czyli europejskie podwójne triody ECC83 ) wzmacniacza operacyjnego wprowadziła firma Philbrick w 1952 roku. Parametry wzmacniacza były mierne. Bardzo duży był dryft wejściowego napięcia niezrównoważania. Moduł wymagał kłopotliwych dobrze stabilizowanych napięć zasilających +300V i -300V.

Wzmacniacz składał się z wejściowego stopnia niby różnicowego, stopnia wzmocnienia napięciowego i wyjściowego wtórnika. Jest to od lat typowa konfiguracja wzmacniacza operacyjnego. W stopniu wzmocnienia napięciowego zastosowano z wyjścia dodatnie sprzężenie zwrotne celem podniesienia wzmocnienia. Przesuwnik poziomu ( nie ma komplementarnych lamp elektronowych typu P ! ) wykonano na neonówce. Wzmacniacz miał wzmocnienie stałoprądowe 10 000, pasmo 100 KHz i po nagrzaniu dryft 5 mV na dzień. Zakres napięcia wyjściowego wynosił -50..50V. Regulowane napięcie niezrównoważenia przekraczało pół volta. W kolejnych modyfikacjach poniesiono wzmocnienie, pasmo i rozszerzono zakres napięcia wyjściowego do -100..100V.

Moduł K2-W był wygodnie instalowany w typowym oktalowym gnieździe.
W temperaturze pokojowe obudowa modułu miała temperaturę circa 60C.
Idea wzmacniacza operacyjnego jako „building block” zyskała popularność i lampowe moduły wzmacniacza operacyjnego produkowali też inni producenci.
Pojawiły się moduły tranzystorowe, hybrydowe i wkrótce scalone monolityczne. W Polsce lampowe (!) maszyny analogowe produkowano jeszcze w latach siedemdziesiątych a w skryptach uczelnianych ćwiczenia laboratoryjne na nich opisywane są do dzisiaj. 

Goldberg w 1949 roku odkrył ideę wzmacniacza chopper - owego z siekaniem sygnału modulatorem mechanicznym pozwalającego znacznie polepszyć parametry stałoprądowe wzmacniacza operacyjnego ale tylko w konfiguracji odwracającej. Mankamentem wzmacniacza z przetwarzaniem sygnału są znaczne intermodulacje. Znacznie lepsze jest późniejsze autozerowanie realizowane w kilku scalonych wersjach.

Na początku lat sześćdziesiątych pojawiły się drogie tranzystorowe modułowe wzmacniacze operacyjne.

Pierwszy monolityczny wzmacniacz operacyjny uA702 z 1963 roku w szokująco wysokiej cenie 300 dolarów miał tylko 9 tranzystorów wyłącznie NPN. Miał małe napięcie niezrównoważenia i jego dryfty ( lepszy model tylko 2 uV/C ) ale duży prąd wejściowy, bardzo mały zakres wejściowych napięć wspólnych, mały zakres napięcia i prądu wyjściowego. Ale z kompensacją wyprzedzającą układ miał szerokie pasmo i pracował z sygnałem Video !

Pierwszym prawie pełnowartościowym wzmacniaczem operacyjnym był układ uA709 z 1965 roku z dwoma marnymi tranzystorami PNP. Kłopotliwa była zewnętrzna kompensacja częstotliwościowa aż trzystopniowego układu.

NB. Normą jest rozwiązanie dwustopniowe wzmacniacza z wejściowym stopniem różnicowym, stopniem napięciowym z kompensacją częstotliwościową Millera i wyjściowym wtórnikiem emiterowym. Wzmacniacze trzystopniowe jak precyzyjny uA725 ( 1969 ) i jego następca OP07 ( 1975 ) są powolne. Najszybsze jest rozwiązanie jednostopniowe wzmacniacza. Wejściowa para różnicowa pracuje w kaskodzie WE-WB z tranzystorami komplementarnymi z wyjściowym wtórnikiem.

Przez kolejne 10 lat słabe parametry częstotliwościowe wzmacniaczy operacyjnych wynikały z nędznych parametrów tranzystorów PNP. Wzmacniacze wykonane technologią dającą tranzystory PNP o parametrach zbliżonych do tranzystorów NPN są droższe ale znacznie szybsze. Rośnie objętość obszarów zastosowań szybkich wzmacniaczy operacyjnych ale na razie jest ich niewiele względem typów standardowych.

W bilansie błędów i dryftów temperaturowych właściwie skonstruowanego wzmacniacza operacyjnego winien dominować pierwszy stopień. W najprostszym wypadku z obciążeniem rezystorami kolektorowymi o niezrównoważeniu wzmacniacza i dryfcie napięciowym decyduje nieidentyczność różnicowej pary tranzystorów i rezystorów. Bardzo szkodliwe są gradienty temperatur w strukturze scalonej. Toteż strumień ciepła emitowany przez obciążony wtórnik wyjściowy winien być jak najbardziej symetryczny dla wejściowej przeplecionej pary tranzystorów.

Wzmacniacz operacyjny AD707 firmy Analog Devices jest jednym z najdokładniejszych dla źródeł o małej oporności sygnału. Dryft temperaturowy napięcia niezrównoważenia wynosi 0.1uV/C dla wersji podstawowej a dla selekcjonowanej droższej grupy 0.03uV/C. W paśmie 0.1-10 Hz szum typowo wynosi 0.23 uVpp i maksymalnie 0.35 uVpp. Tłumienie sygnału wspólnego dochodzi do 140 dB !

Układ OP07 jest udoskonalonym układem uA725 zaś układ LT1001 udoskonalonym układem OP07. W układach tranzystory wejściowej pary różnicowej w kaskodzie ( jak w układzie LM108 ) pracują ze stałym napięciem Uce co polepsza tłumienie sygnału wspólnego CMRR. Dodano układ kompensujący do „zera” prąd wejściowy wzmacniaczy ale offset prądu wejściowego nie został zmniejszony. Wzmacniacz AD707 ma schemat identyczny jak układ LT1001 ale ulepszony rozkład elementów i lepszą technologię wytwarzania. We wszystkich wzmacniaczach poza prekursorem, laserowo trymowane są rezystory kolektorowe wejściowej pary różnicowej.

Bilans błędów wzmacniacza instrumentalnego jest oczywiście gorszy niż wzmacniacza operacyjnego.

Zrównoważony archaiczny wzmacniacz uA725 ( czyli MAA725 Tesla ) ma dryft wejściowego napięcia około 0.5uV/C.

NB. Wzmacniacz uA725 ( i podobne ) równoważymy głównie dla obniżenia dryftu termicznego napięcia niezrównoważenia a nie dla zmniejszenia napięcia niezrównoważenia. Zauważyć należy że w typowych wzmacniaczach operacyjnych zmniejszenie napięcia niezrównoważenia może spowodować wzrost jego dryftu termicznego i nie należy tego czynić.

Obecnie najlepszy wzmacniacz instrumentalny Analog Devices ma termiczny dryft napięcia 0.5 uV/C czyli wielokrotnie większy niż wzmacniacza operacyjnego tej firmy

Wzmacniacz instrumentalny jest oczywiście dużo droższy niż operacyjny !

Wzmacniacz instrumentalny ( monolityczny, hybrydowy, modułowy ) można wykonać na jednym, dwóch lub trzech wzmacniaczach operacyjnych lub od razu jako specjalny wzmacniacz instrumentalny. Tłumienie sygnału wspólnego wzmacniacza instrumentalnego na wzmacniaczach operacyjnych i niektórych wzmacniaczy monolitycznych instrumentalnych, zależy od tolerancji zastosowanych rezystorów i jest proporcjonalne do jego wzmocnienia. Toteż wzmacniacz instrumentalny powinien pracować z jak największym wzmocnieniem. Błędem jest dalsze wzmacnianie sygnału z niego przed przetwornikiem A/D. Najlepszą powtarzalność mają rezystory cienkowarstwowe co wykorzystuje się w przetwornikach A/D i D/A oraz właśnie wzmacniaczach instrumentalnych.

Układ z jednym wzmacniaczem operacyjnym ma „niewielkie” i różne dla wejść dodatniego i ujemnego oporności dla sygnału różnicowego. Układ ten do współpracy z sensorami nie jest stosowany jako że mała oporność wejściowa wprowadza błędy spowodowane zmianą oporności wyjściowej mostka w funkcji temperatury a także pogarsza zrównoważenie mostka sensora.

Taki wzmacniacz różnicowy jest jednak bardzo użyteczny dla „bezzakłóceniowego” przesyłania i odbioru różnicowych sygnałów analogowych. Przykładowo sygnał sterujący o zakresie -10...+10V z przetwornika D/A komputera sterowania CNC jest na wejściu analogowego „wzmacniacza” serwomechanizmu odebrany wzmacniaczem różnicowym. Różnicowo przesyła się także sygnały audio. Użycie wzmacniacza różnicowego pozwala obyć się w tym przypadku bez kosztownego transformatorka.

Współczynnik tłumienia sygnału wspólnego układu na trzech wzmacniaczach operacyjnych wolniej spada ze wzrostem częstotliwości zakłócenia wspólnego i to jest zazwyczaj jedyna jego zaleta nad rozwiązaniem z dwoma układami . Przewagę tą można usunąć jednym kondensatorkiem. Bilans błędów stałoprądowych układu na trzech układach operacyjnych jest gorszy niż bilans na dwóch wzmacniaczach. 

We wzmacniaczu instrumentalnym na dwóch wzmacniaczach operacyjnych wzmocnienie można zmienić rezystorem R5 a maksymalne tłumienie sygnału wspólnego uzyskać zmianą rezystora R1 lub R4.

We wzmacniaczu instrumentalnym na trzech wzmacniaczach operacyjnych potencjometr R8 zmienia wzmocnienie, potencjometr R9 służy do maksymalizowania tłumienia stałoprądowego sygnału wspólnego zaś potencjometr R10 do maksymalizowania tłumienia wspólnego sygnału zmiennoprądowego. W praktyce stosuje się tylko dokładne rezystory bez potencjometrów i ewentualnie tam gdzie to jest potrzebne kondensatorek do polepszenie tłumienia zmiennoprądowego.

Na pokazanych rysunkach sygnał odniesiony jest do GND ( potencjał odniesienia podany jest do rezystorów R1 i R9 ) ale w systemach z jednym zasilaniem poziomem odniesienia może być i często jest połowa napięcia referencyjnego.

Część napięcia niezrównoważenia i jego dryftu jest prawie identyczna w dwóch wzmacniaczach operacyjnych w jednej obudowie i mogą ulec wzajemnej kompensacji. Podkreśla to Linear Technology skąd wzięto oba rysunki. Wzmacniacze operacyjne typu OP227 i 237 są podwójne.

Analog Devices oferuje bardzo drogi ( ca 250 dolarów ) moduł 2B31 do współpracy z sensorami mostkowymi ale tak naprawdę z mostkami tensometrycznymi. Daje on zasilanie 4 przewodowe Kelvina. Wzmacniacz instrumentalny ( IA - Instrumental Amplifier ) w module ma dryft 0.5uV/C i szumy 1uVpp w pasmie do 10Hz Tłumienie sygnału wspólnego wynosi aż CMRR - 140 dB przy wzmocnieniu G>1000. Moduł zawiera też filtr dolnoprzepustowy ale z zewnętrznymi opornikami wyznaczającymi częstotliwość odcięcia.

W układzie wzmacniacza instrumentalnego na trzech wzmacniaczach operacyjnych przełącznikami CMOS można przełączać wzmocnienie co pozwala produkować PGA czyli Programmable Gain Amplifier. PGA może więc obsługiwać różne grupy sensorów. Dla grup sensorów podaje się też różny sygnał offsetu jako odniesienie. Mankamentem PGA jest prohibicyjna, wręcz zaporowa cena.

Przez koncerny Analog Devices i Burr Brown produkowane są monolityczne wzmacniacze instrumentalne bardzo pomysłowej konstrukcji o bardzo dobrych parametrach.

Pokazano schematy układów AD530 i AD521. Są one rozwinięciem idei wzmacniacza operacyjnego. W obu wzmacniaczach użyto wewnętrznego symetrycznego sygnału prądowego równoważącego sygnał wejściowy w różnicowej parze wejściowej.

Układ AD520 wprowadzono w 1972 roku a układ AD521 w 1975 roku.

Układy dalej są produkowane mimo iż są kolejne rodziny wzmacniaczy instrumentalnych.

Wzmacniacz operacyjny i wzmacniacz instrumentalny można wykonać w technologii CMOS. Wielki szum napięciowy typu 1/F tranzystorów Mosfet jest skutecznie zwalczany systemem autozerowania. Produkowane są w technologi CMOS mikrokontrolery z przetwornikami A/D. Przykładowo mikrokontrolery 80C552 ( i inne ) koncernu Philips mają 8 wejściowy 10 bitowy przetwornik A/D. Rolę przetworników D/A mogą pełnić układy modulatorów PWM. Ewidentnie w tych układach mikrokontrolerów brakuje modułu PGA, który pozwoliłby na bezpośrednią współpracę mikrokontrolera z sensorami ! Za pewnik można uznać ze przyszłe mikrokontrolery będą miały blok PGA.

Każdy system pomiarowy ma błąd zera oraz błąd pomiaru w pełnej skali. „Błąd zera” jest tym bardziej szkodliwy im mniejsza jest mierzona wielkość.

Na błąd zera systemu z mostkiem tensometrycznym zasilanym asymetrycznie składa się połowa napięcia zasilania podzielona przez CMRR wzmacniacza instrumentalnego.

Na schemacie pokazano zasilanie mostka napięciem +5V i napięciem około -5V wytworzonym przez wzmacniacz operacyjny dbający aby na jednym wyjściu mostka napięcie było zerowe.

Jeśli mostek tensometryczny jest idealnie zrównoważony napięcie wspólne jest tu zerowe. Do bilansu błędów wchodzą napięcia niezrównoważenia dwóch wzmacniaczy operacyjnych tak jak we wzmacniaczu instrumentalnym z dwoma wzmacniaczami ale nie ma błędu od sygnału wspólnego. Ekwiwalentne tłumienie sygnału wspólnego wynosi do 140-160 db a więc jest ogromne. Mankamentem jest konieczność użycia symetrycznych napięć zasilających i zwiększony pobór mocy przez system Strain Gauge. W systemie jedno napięciowym można użyć układu ICL7660 do wytworzenia ujemnego napięcia. W przypadku użycia zasilacza impulsowego dodanie jednego napięcia wyjściowego małej mocy jest tanie. Po małej modyfikacji można zastosować układ Kelwina do zasilania mostka tensometrycznego.

Jeśli z uwagi na zaporowy koszt i niedostępność wzmacniacza instrumentalnego wysokiej jakości jego użycie jest wykluczone rozwiązanie to jest doskonałą alternatywą.

Niefortunnie narysowano mostek tensometryczny.

Układ LM329 daje napięcie odniesienia 6.9V. Typowy dryft napięcia odniesienia wynosi w znakowanych literą grupach układów 6, 10, 15, 30 ppm/C.

Górny wzmacniacz jest wtórnikiem napięcia 5V a dolny zeruje napięcie wyjściowe z lewego wyjścia mostka zasilając od dołu mostek napięciem ca -5V. 

Rezystory 1K na wyjściach wzmacniaczy odciążają je prądowo i cieplnie. Potencjometr którego stosowanie nie jest konieczne dokładnie zeruje mostek tensometryczny. Wstępnie mostek jest zerowany przez producenta laserowym nacinaniem jego rezystorów.

Mostkowy sensor i jego wzmacniacz są tylko elementami bardziej złożonego systemu.

Zaawansowane współczesne mikrokontrolery wykonane w technologii CMOS już posiadają mocno rozbudowane i użyteczne peryferia.

Mikrokontroler z pamięcią ROM zaprogramowany maską jest ekonomiczny - optymalny w produkcji wielkoseryjnej.

Dołączenie zewnętrznych pamięci programu i danych do mikrokontrolera rodziny '51 wymaga użycia latcha 74HC573 i blokuje niestety dużo pinów mikrokontrolera. Wersja mikrokontrolera z pamięcią Eprom jest zaś strasznie droga. Nowością z którą łączone są duże nadzieje jest pamięć nieulotna rodzaju „Flash” wypuszczona właśnie przez Intela. Niemniej system z mikrokontrolerem jest w miarę prosty na tle rozwiązania z mikroprocesorem i licznymi układami peryferyjnymi.

W technologi CMOS można wytworzyć wzmacniacz operacyjny i to nawet z autozerowaniem jak w omówionym już układzie ICL7650. W technologi CMOS mamy przełączane kondensatory czego nie ma w technologi bipolarnej. Łatwo z przełączanymi kondensatorami i cyfrową filtracją można wykonać przetworniki A/D i D/A Sigma Delta o dużej rozdzielczości.

Dodanie w mikrokontrolerze Wzmacniacza Instrumentalnego ( odmiennego niż bipolarny i wykonanego z użyciem wszelkich środków dostępnych w CMOS ) o wybieranym wzmocnieniu jak PGA pozwoli mocno uprościć analogowy interfejs do sensorów mostkowych.

Autor adaptując idee zawarte w układach AD520 i AD521 do specyfiki technologii CMOS wykonał na dyskretnych tranzystorach P i N Mosfet próbny Wzmacniacz Instrumentalny. Układ działa lepiej niż oczekiwano. Nie można w nim niestety bezbłędnie przełączać przełącznikami CMOS rezystorów odpowiedzialnych za wzmocnienia i nie nadaje się on jako baza PGA. Ale wydaje się że po rozbudowie i modyfikacji będzie to PGA. Autor nie może tego sprawdzić bowiem nie ma wystarczającej ilości tranzystorów. Układ jest aktywowany sygnałem logicznym i bardzo szybko się stabilizuje. Bez potrzeby nie pobiera mocy.

Dokładność 10 bitowa do wagi handlowej może być za mała. Wielką popularność w świecie zdobyły wykonane w technologi CMOS układy ICL7106 ( do wyświetlacza LCD ) i ICL7107 ( wyświetlacz LED ) do 3 1/2 cyfrowego multimetru.

Zastosowano w nich powolny ale dobrze tłumiący zakłócenia przetwornik A/D z podwójnym całkowaniem. Taki sam podsystem przetwornika A/D ma 4 1/2 cyfrowy przetwornik ICL7135. Cykl pomiaru wynosi 333 ms. Przetwornik ma autozerowanie.

Przy zakresie pomiaru 200mV rozdzielczość pomiaru wynosi 10 uV. Przetwornik ma typowy napięciowy dryf wejściowy 0.5uV/C. Przetwornik ma wejście różnicowe i wzmacniacz instrumentalny może być zbędny.

Układ ICL7106 po zmniejszeniu szumów na wejściu mogły być użyty w cyfrowej wadze domowej !

NB. W układach ICL.... użyto dwóch wzmacniaczy operacyjnych CMOS. Są one znacznie prostsze niż komercyjne wzmacniacz operacyjne. Nie mają nawet wyjściowego stopnia w klasie AB a tylko prosty stopień w klasie A.

Już obecnie od strony wejścia układ ICL7135 jest tylko trochę za słaby do bezpośredniej współpracy z wysokiej klasy mostkiem tensometrycznym ale przecież nie powiedziano jeszcze ostatniego słowa w tej sprawie ! Choćby mostek tensometryczny można zasilać tylko w czasie fazy całkowania sygnału większym napięciem dla uzyskania większej czułości. Część analogową takiego przetwornika można produkować jako prosty osobny układ. Mikrokontroler taki jak z rodziny 80C552 musiałby tylko w dodatkowej konfiguracji do współpracy z takim przetwornikiem mieć dodatkowo prostą funkcje logiczną jako że ma już rozbudowany system licznikowy. Do współpracy potrzebne są tylko 3 piny. Mikrokontroler w „dół” byłby w 100% zgodny ze starszymi bez tej funkcji.

Peryferia jakie producenci dają w mikrokontrolerach z pewnością wynikają z analizy potrzeb klientów tak aby sprzedać jak najwięcej atrakcyjnego i drogiego produktu. Mikrokontroler Philips 80C592 ma „samochodowy” interface CAN Boscha. Zatem decydując się na dodanie w „samochodowym mikrokontrolerze” systemu PGA trzeba konkretnie sprawdzić na ile uprości on konstrukcje ECU silnika ( Electronic Control Unit ) z istniejącymi i planowanymi sensorami. Trzeba sprawdzić atrakcyjność alternatywnych interfejsów cyfrowych które można wykonać na powierzchni krzemu wymaganej przez PGA i towarzyszące mu piny.

Waga handlowa jest masowo produkowana jako że handel to istotna część każdej gospodarki.

Zintegrowana waga handlowa ( owoce, warzywa, mięso, sery ... ) z mostkiem tensometrycznym ( lub piezorezystancyjnym dla małych zakresów ) i mikrokontrolerem może też realizować funkcje kasy sklepowej z wyświetlaczem, skanerem kodu kreskowego na towarze, klawiszami, czytnikiem karty płatniczej, drukarką paragonu i interfejsem szeregowym do komputera PC z bazą danych towarów w magazynie ! Taka kasa z komputerem bazy danych w istocie może być pierwszym krokiem do automatyzacji handlu a przynajmniej do zwiększenia w nim wydajności pracy !

NB. Powstaje pytanie o optymalną kompozycje systemu. Czy ma mieć tylko jeden mikrokontroler czy podsystemy mają być autonomiczne i komunikować się z jądrem łączami szeregowymi lub równoległymi. Drukarka paragonu może być kompletna ze złączem RS232 lub Centronix albo mikrokontroler może wprost sterować dwoma silnikami krokowymi i głowicą drukarki. Zadanie to jest w gruncie rzeczy mało obciążające programowo i sprzętowo dla systemu. W urządzeniu EKG trzeba użyć tego rozwiązania bowiem drukarka ma za słabą izolacje a EKG musi mieć doskonałą podwójną izolacje.

Kod kreskowy czyli Barcode opatentowano w USA w 1952 roku. Szerokie i wąskie paski w tym patencie nadrukowane na etykiecie albo wprost na opakowaniu towaru odpowiadają kresce i kropce w kodzie Morsea. Kod ten praktycznie zastosowano dopiero w 1974 roku. Obecnie stosowanych jest kilka rodzajów kodów kreskowych. W efektywnej realizacji sprzętowej sygnał z fotodiody odbiorczej czytnika poprzez komparator generuje przerwania dla mikrokontrolera. Program zapisuje stan licznika i wylicza czas trwania kresek i kropek a następnie poruszając się w grafie kodu Morsea dekoduje znaki. Do komputera PC dostępne są czytniki kodu kreskowego ze złączem RS232. Czytnik kodu kreskowego może być samodzielnym urządzeniem lub tylko generować przerwania dla mikrokontrolera. Proste jest także odczytywanie magnetycznego paska karty płatniczej ale zadanie musi wykonywać osobny system jako że bank-operator na pewno nie poda szczegółów odczytu karty i autoryzacji transakcji. Klawiaturę w mikrokomputerze ZX Spectrum obsługuje bardzo prosty sprzęt i program ale w komputerze PC klawiatura ma własny mikrokontroler, tak samo jak myszka, i interfejs szeregowy.

Rodzina wydajnych ( mają sprzętowe mnożenie i dzielenie ) 16 bitowych mikrokontrolerów MCS-96 Intel produkowana od 1983 roku umieszczana jest m.in. w 80 pinowej obudowie ale także w DIP48. Mikrokontroler taki w wielopinowej obudowie poradzi sobie z łatwością ze wszystkim zadaniami rozbudowanej kasy. Te mikrokontrolery mają rozbudowane peryferia i są na tyle wydaje że mogą sterować na przykład inwerter PWM i servonapędy pojemnego twardego dysku.

Zauważmy że zadania zestawu kasowego wykonywane są rozłącznie czasowo.

Automatyczne wagi są szeroko w przemyśle ( spożywczy, farmaceutyczny, chemiczny, papierniczy, hutniczy, cementownie, oczyszczalnie ścieków ... ) używane do naważania substancji użytych w procesie produkcji. Dla zachowania najlepszej względnej dokładności kolejno dozuje się substancje w narastających wagach. W systemie wagi taśmociągowej użyty jest dodatkowo sensor impulsowy do pomiaru faktycznej prędkości ruchu taśmy i mierzony ( i ewentualnie całkowany ) jest przepływ strumień masy.

Autozerowanie kompletnej wagi może być wykonane na polecenie operatora lub automatycznie gdy jest pewność że na wadze niczego nie ma.

NB. Naiwnie wykonane autozerowanie nawet dwukrotnie pogarsza szumowy błąd zera !

Analogowe zerowanie i ustalanie skali potencjometrami pozwala optymalnie wykorzystać dokładność przetwarzania konwertera A/D. Ale utrata dokładności przy realizacji programowej dokładnego zerowania i skalowania może być tylko kilkuprocentowa czyli możliwa do akceptacji.

Waga handlowa w istocie mierzy wartość towaru w pieniądzu i z tego względu musi mieć określoną dokładność ustaloną przepisami.

Temat zastosowań mikrokontrolerów w urządzeniach przemysłowych, medycznych, informatycznych, motoryzacji, sprzęcie RTV, Video, odtwarzaczu CD - jest bardzo szeroki. Są to obszary o znakomitych rokowaniach na przyszłość.

Czas odpowiedzi każdego sensora współdecyduje o dynamice obiektu regulacji. Sam mostek tensometryczny jest względnie szerokopasmowy.

W konwencjonalnych mechanicznych wagach ustalanie rezultatu pomiaru jest powolne. Waga z tensometrem jest dość sztywna i mechaniczne częstotliwości własne układu są dość wysokie ale tłumienie ich może być niewielki. W przypadku wagi interesuje nas wynik ustalony toteż dolnoprzepustowa filtracja analogowa i programowa ( obecnie filtracja analogowa jest jeszcze tańsza ale już niedługo tak będzie ) ma pierwszorzędne znaczenie w usunięciu zakłóceń. W przypadku próbkujących przetworników A/D filtracja analogowa jest konieczna i dobry antyaliasing ma znaczny wpływ na dokładność pomiaru. Oczywiście im niższa częstotliwość filtru tym wolniej filtr się ustala. Przetwornik A/D metody podwójnego całkowania dobrze sprawdza się w wagach. Stosunkowo nieźle filtruje zakłócenia. Historia sygnału z mostka tensometrycznego sprzed okresu całkowania przetwornika A/D jest bez znaczenia co doskonale pasuje do idei wagi. Przy odpowiednim doborze czasu całkowania przetwornika A/D zakłócenia sieciowe są mocno tłumione. Z całkującym przetwornikiem A/D pierwszy pomiar po odjęciu ręki kładącej przedmiot na wadze jest od razu ustalony.

Z szybszym przetwornikiem A/D i wydajnym mikrokontrolerem program może obserwować proces położenia przedmiotu na wadze a następnie wyliczyć średnią z kilkunastu ustalonych pomiarów.

Ulepszony ( o zmniejszonych szumach) układ ICL7106 mogłyby spełniać rolę wagi osobowej o zakresie 200 kg o rozdzielczości 0.1 Kg. W Polsce nie ma jeszcze grubasów ważących ponad 200 kg i zakres dobrze dostosowany jest do zastosowania. Waga taka jest użyteczna w domu i w gabinecie lekarskim. Pomiar wagi pacjenta byłby bardzo szybki.

Zwróćmy uwagę na zdolności percepcyjne człowieka obserwującego cyfrowy wyświetlacz. 2-3 pomiary na sekundę wydaję się optymalne. Ważne jest to aby pełny pierwszy pomiar był dokładny a nie powoli dopiero kolejne pomiary się stabilizowały.

NB. Do ważenia obiektów o małej wadze ( wagi precyzyjne, laboratoryjne - analityczne, jubilerskie, apteczne ), począwszy od mikrogramów, stosuje się wagi z przetwornikiem magnetoelektrycznym i wagi wibracyjne. W wadze magnetoelektrycznej ważony ciężar równoważy siła przetwornika podobnego jak w głośniku. W wadze wibracyjnej częstotliwość drgań generatora elektromechanicznego zależy od mierzonej wagi przedmiotu będącej elementem układu generatora.

Korzyści może przynieść niekonwencjonalne ważenie samochodów ciężarowych, wagonów kolejowych i całych pociągów z surowcami.

Bloki polskich elektrownie węglowe są rzekomo bardzo mało sprawne. W istocie kierownictwo elektrowni kwituje kopalni odbiór większej ilości węgla niż faktycznie dostarczono. Mafijne kierownictwo kopalni dzieli się pieniędzmi z mafią w elektrowni. Górnicy dostają premie za wykonanie planu. Wszystkich na garbie niosą uczciwi Polacy.

Użycie nowoczesnych mikrokontrolerów ułatwia projektowanie. Badacz czy projektant może myśleć systemowo koncentrując się na meritum składników kompletnego systemu i nad tym systemem.

Do budowy wzmacniacza instrumentalnego można wykorzystać scalone tranzystory układów UL1111 i UL1101 będące odpowiednikami układów koncernu RCA i innych. Możliwe jest uzyskanie dryftu napięcia wejściowego rzędu 1 uV/C i szumów w paśmie 0.1-10 Hz rzędu 0.3 uVpp. Budowa takiego wzmacniacza nie wydaje się obecnie racjonalna.

O ile „symetryczne” zasilanie mostka tensometrycznego jest bardzo wskazane ( głównie dla polepszenia dokładności przy mierzeniu małych naprężeń czy ciężarów w wadze ) to zasilanie asymetryczne jednym napięciem układu sensora ciśnienia KP101A z mostkiem piezorezystancyjnym jest optymalne pod warunkiem że będzie on mierzył ciśnienie bliskie atmosferycznemu. Sensor ma zakres 0..1.2 bar i symetryczne zasilenie go spowodowałoby przy ciśnieniu atmosferycznym wzrost błędu pomiaru.

Jak już wspomniano programowa realizacja regulacji Zera i Skali powoduje pomniejszenie użytecznego zakresu sygnału podanego do przetwornika A/D i powiększenie jego błędów. Bardzo dobrze z sensorem KP101A funkcjonuje pokazany wzmacniacz instrumentalny wykonany na dwóch wzmacniaczach operacyjnych zasilanych napięciem GND i 5V dającym wprost sygnał przetwornikowi A/D. Dla przetwornika ciśnienia KP101A 10 bitowy przetwornik A/D jest wystarczający po warunkiem podania optymalnego sygnału ( skala i offset ) na jego wejście.

Aby ocenić jakość układu kondycjonującego sygnał z mostkowego sensora rezystancyjnego sztuczny sygnał ( nie z sensora) podajemy z układu rezystorów ale nie połączonych w mostek ale w specjalny układ bardzo mało wrażliwy na tolerancje rezystorów. Ale i tak w układzie zastępczym należy użyć dokładnych i stabilnych rezystorów.

Przerwa w przewodzie mostka tensometrycznego powoduje pojawienie się na wyjściu współpracującego wzmacniacza instrumentalnego maksymalnego sygnału ( istotny jest wtedy maksymalny zakres napięć wspólnych wzmacniacza), który winien wyzwolić Alarm a operator winien dokonać oceny sytuacji. Interfejs można wyposażyć w prosty monitor prądu zasilającego tensometr. W szczególności prąd zasilający mostek sensora może być jednym z mierzonych sygnałów. Nie musi to być pomiar super dokładny. Gdy multiplexer przetwornika A/D ma niewykorzystane wejście jest to rozwiązania racjonalne.

„Inteligencja” systemów diagnostycznych musi być adekwatna do zastosowania. Tam gdzie człowiek jest ciągle obecny nie musi być ona wysoka ale w systemach bez nadzoru ludzkiego i gdzie błąd może być kosztowny powinna być sensowna.

Wystarczająco dobre parametry do przetworników D/A - A/D i wzmacniaczy instrumentalnych mają tylko scalone zestawy rezystorów cienkowarstwowych i rezystory foliowe. 

Mnożący 12 bitowy przetwornik D/A typu AD7541 ma tylko klucze CMOS i odwróconą drabinkę precyzyjnych rezystorów R-2R.

Na podłoże ceramiczne zespołu rezystorów cieńkowarstwowych naparowywany jest w próżni materiał "przewodzący” : NiCr, TaN, RuO2... Następnie metodą fotolitografii wytrawiany jest zespół rezystorów i na koniec pasywowana jest powierzchnia układu. Tolerancja wytworzonych rezystorów jest zazwyczaj około 1% ale w dobrej technologii może być lepsza. Rezystory są następnie trymowane laserowo. Temperaturowy współczynnik oporności wynosi 5-40 ppm/K ale względne zmiany ( istotne w dzielnikach i przetwornikach oraz wzmacniaczach instrumentalnych ) mogą być rzędu 1 ppm/K. Rezystory są niskoszumne, liniowe i mało się starzeją ale są drogie. Są na tyle drogie że konkurencyjne są przetworniki A/D i D/A metody Sigma - Delta zatrudniające ponad pięćdziesiąt tysięcy tranzystorów CMOS głównie w ich filtrach cyfrowych.

Bardzo drogie rezystory foliowe mają stabilność temperaturową rzędu 0.2ppm / K ! Bardzo cieńka folia przyklejona jest do płytki ceramicznej. Metodą fotolitografii wytrawia się następnie ścieżkę opornika. Idea jest więc podobna jak rezystora cieńkowarstwowego. Rezystory foliowe są niesamowicie stabilne i niesamowicie drogie. Typowa ich tolerancja to 0.005%. Stosowane są tylko w najlepszych przyrządach laboratoryjnych, w wagach (!) i sprzęcie lotniczym.

NB. Procesem fotolitograficznym produkowany jest mostek tensometryczny, rezystory cienkowarstwowe i rezystory foliowe. Oczywiście jest on podstawą technologii monolitycznej.

Rezystory metalizowane mają stabilność cieplną rzędu 50-100 ppm/K. Są dość stabilne długoczasowo i mają małe szumy. Dzielnik wykonany z dwóch identycznych rezystorów może być całkiem stabilny. Inny współczynnik temperaturowy niż metalizowane rezystory mają potencjometry montażowe i nieprzemyślane użycie ich razem z rezystorami może istotnie pogorszyć dokładność.

Wzmacniacz instrumentalny ma decydujący wpływ na jakość kondycjonowania sygnału z sensora. Wynik pomiaru jest najczęściej używany do regulacji a jednocześnie prezentowany człowiekowi. Szumy i dryfty są niepożądane. Obserwowane przez operatora utrudniają pracę, irytują i podważają zaufanie do systemu. Spełnianie oczekiwań - wymagań najlepiej jest ocenić praktycznie. Gdy opracowanie nie spełnia wymagań trzeba zastosować lepsze rozwiązanie.

Aby ocenić szumy i stabilność kondycjonera zamiast sensora ( sensorów w układzie wielokanałowym ) temperatury RTD – PT100 włączamy stabilny rezystor/y o wartości na przykład 110 Ohm, odpowiadający temperaturze ca 26C. Zakłócenia polem elektrycznym sieci zasilającej 50Hz można zasymulować zbliżając pojedynczy izolowany przewód dołączony do fazy sieci. Zakłócenia polem magnetycznym sieci zasilającej 50Hz można zasymulować zbliżając izolowany pojedynczy przewód przez który płynie prąd sieci. Zmiany temperatury otoczenia można zasymulować suszarką do włosów.

Monolityczne Wzmacniacze Instrumentalne produkują w świecie zasadzie tylko amerykańskie koncerny Analog Devices i Burr Brown. Giganci mikroelektroniki w ogóle nie produkują układów precyzyjnych a tylko układy ogólnego zastosowania. Produkujące precyzyjne wzmacniacze operacyjne i inne monolityczne układy analogowe ( często oparte o patenty ) a w tym przetworniki A/D i D/A firmy Linear Technology i Precision Monolitics nie produkują wzmacniaczy instrumentalnych. W swoich materiałach podają kompozycje IA na 2 i 3 wzmacniaczach operacyjnych, wymagające szalenie drogich rezystorów klasy 0.01%lub lepszych. Cały urok scalonego wzmacniacza instrumentalnego polega na tym że jest kompletny i nie wymaga żadnych egzotycznych elementów.

Współcześnie w mikroelektronice stosowane są technologie Bipolarna, NMOS, CMOS, BiFET i BiMOS. Najłatwiejsza technologia PMOS została faktycznie porzucona. Koszt produkcji zależy m.in. od ilości użytych masek, która w technologi CMOS jest umiarkowana.

Tranzystor Mosfet ma bardzo duże szumy 1/F. Pokazana w katalogu widmowa gęstość wejściowego napięcia szumów wzmacniacza BiMOS typu CA3140 spada aż do częstotliwości 100 KHz i prawdopodobnie dalej spada ale wykres jest tylko do 100 KHz. Tranzystory Mosfet ( do celów Radio dwubramkowe ) od kilkunastu MHz do 1 GHz mają najniższe szumy ze wszystkich tranzystorów. Powyżej 1 GHz lepsze są Fety w Arsenku Galu. Ponieważ są liniowe i mają duże wzmocnienie w wejściowych układach selektywnych są nie do pobicia.

Małą częstotliwość 1/F i najniższą gęstość szumów wykazują tranzystory bipolarne o sporej powierzchni przy odpowiednim prądzie kolektora. Wzmacniacze operacyjne o małych napięciowych szumach 1/F są optymalne tylko i wyłącznie dla niskoomowych źródeł sygnału. Mają spory wejściowy prąd polaryzacji a nawet jeśli jest on skompensowany to i tak dryft offsetu prądu jest duży.

Większą częstotliwość 1/F i większą gęstość napięcia szumów mają tranzystory JFet. Napięcie szumów maleje wraz z wielkością tranzystora i zbliża się do poziomu tranzystorów bipolarnych. Japońscy producenci wzmacniaczy top Hi-Fi w stopniu wejściowym przedwzmacniacza gramofonowego „Moving Coil” stosują specjalne tranzystory JFet o dużej powierzchni. Z uwagi na duże pojemności tranzystory te zawsze pracuję w kaskodach z tranzystorami bipolarnymi.

Monolityczne wzmacniacze z wejściem JFet mogą być niskoszumne. Oczywiście wejściowa para dużych powierzchniowo tranzystorów pracuje w kaskodzie. Od połowy lat siedemdziesiątych znana jest konstrukcja wzmacniacza JFet, które po laserowym trymowaniu mają mały temperaturowy dryft napięcia i małe niezrównoważanie. Laserowe trymowanie nie jest bynajmniej tanie. Znana jest też konstrukcja wzmacniacza JFet o bardzo małym prądzie wejściowym. Oczywiście Mosfety mają mniejszy prąd bramki ale mają duże szumy 1/F.

Wzmacniacz z wejściem MOS ma duże szumy 1/F i duże napięcie niezrównoważenia. Firma Intersil w małych odstępie czasu wypuściła wykonane w technologi CMOS super precyzyjny wzmacniacz operacyjny z autorównoważeniem ICL7650 i układ 3 1/2 cyfrowego multimetru ICL7106,7 gdzie też zastosowano autorównoważenie ale w długim cyklu pomiaru. Autorównoważenie w układzie wzmacniacza operacyjnego ICL7650 ograniczyło przy małych częstotliwościach szum 1/F ! Wzmacniacz ma też drugich producentów. Rozwinięcie idei pozwoli zmniejszyć intermodulacje i być może pozwoli pozbyć się dwóch zewnętrznych kondensatorów stosowanych z układem ICL7650.

Scalony 16 bitowy przetwornik A/D metody Sigma Delta ma w analogowym modulatorze wzmacniacze operacyjne pracujące w filtrze z przełączanymi pojemnościami oraz rozbudowany cyfrowy filtr dolnoprzepustowy. Technologia CMOS znakomicie nadaje się do realizacji takiego zadania. Dokładność takiego przetwornika A/D można powiększyć ! Wraz z postępami technologii taki przetwornik można scalić z procesorem DSP lub szybkim mikrokontrolerem.

Szybkość przetwarzania DSP cały czas rośnie a koszt wykonania jednej operacji szybko maleje. W systemie firmy ITT od 1982 roku cyfrowo przetwarza się sygnał Video w odbiorniki TVC !

Całość:
https://drive.google.com/open?id=1N9hLzAi-rKcQqZdIhjijErmFIGJGnknE