Charakterystyka i zastosowania wzmacniaczy pomiarowych

Wzmacniacz pomiarowy to układ, który wzmacnia różnicę sygnałów wejściowych i tłumi ich składową wspólną. Pozwala wydobyć słaby sygnał użyteczny z otoczenia zakłóceń, nawet gdy poziom szumu przewyższa sygnał o kilka rzędów wielkości. W Tespol dostarczamy wzmacniacze szerokopasmowe, prądowe, napięciowe i specjalne, produkowane przez Rohde & Schwarz oraz FEMTO. W tym wpisie tłumaczymy, jak działają wzmacniacze pomiarowe, jakie parametry decydują o ich jakości oraz w jakich aplikacjach się sprawdzają.

Wzmacniacze pomiarowe charakterystyka i zasada działania

Wzmacniacz pomiarowy (instrumentation amplifier, INA) to układ różnicowy o wysokiej impedancji wejściowej i niskiej impedancji wyjściowej. Wewnątrz zawiera od jednego do trzech wzmacniaczy operacyjnych oraz precyzyjną sieć rezystorów.

Najczęściej spotykasz konfigurację trzech wzmacniaczy operacyjnych. Dwa stopnie wejściowe pełnią funkcję buforów o wysokiej impedancji, a stopień wyjściowy działa jako wzmacniacz różnicowy. Taki układ zapewnia wzmocnienie ustawiane pojedynczym rezystorem zewnętrznym, przy jednoczesnym tłumieniu zakłóceń wspólnych.

Sprzężenie zwrotne we wzmacniaczu pomiarowym realizowane jest wewnętrznie, przy użyciu sieci rezystorów odizolowanych od zacisków wejściowych. To odróżnia go od wzmacniacza operacyjnego, w którym pętla sprzężenia wymaga zewnętrznych elementów i obniża impedancję wejściową.

Sygnał różnicowy między wejściami zostaje wzmocniony z wysoką dokładnością. Składowa wspólna obecna na obu wejściach jest tłumiona, a nie przenoszona na wyjście. To odróżnia wzmacniacz pomiarowy od klasycznego wzmacniacza operacyjnego, w którym składowa wspólna pojawia się na wyjściu niezmieniona.

Parametry wzmacniacza pomiarowego warto zwrócić uwagę?

Dobór wzmacniacza pomiarowego opiera się na kilku parametrach, które decydują o dokładności pomiaru. Poniżej zestawienie tych najważniejszych w praktyce.

CMRR rośnie proporcjonalnie do ustawionego wzmocnienia. Dobry wzmacniacz pomiarowy uzyskuje CMRR powyżej 120 dB. Wartość tę producenci podają dla konkretnej częstotliwości i zdefiniowanego niezrównoważenia impedancji źródła.

Przy pomiarze sygnałów z mostków tensometrycznych lub elektrod EKG znaczenie ma także stabilność termiczna rezystorów wewnętrznych. Niedopasowanie temperaturowe bezpośrednio pogarsza CMRR oraz wprowadza dryft napięcia offsetu.

Wzmacniacze pomiarowe zastosowania w pomiarach i przemyśle

Wzmacniacze pomiarowe stosujesz wszędzie tam, gdzie słaby sygnał różnicowy trzeba wydobyć z otoczenia zakłóceń. Typowe aplikacje obejmują pomiary tensometryczne, akwizycję danych oraz tor analogowy przed przetwornikiem ADC.

Główne obszary zastosowań, które obsługujemy w Tespol:

• Pomiary tensometryczne odkształceń, siły, momentu obrotowego, ciśnienia i masy. Wzmacniacz musi pracować z mostkami o rezystancji 80 Ω do 5 kΩ.
• Fotodetektory i pomiary optyczne fotodiody, fotopowielacze, fotodiody lawinowe. Wzmacniacze transimpedancyjne konwertują prąd fotodiody na napięcie.
• Pomiary prądów w zakresie pA i fA spektroskopia, elektrochemia, detekcja pojedynczych cząstek.
• Testy EMC i badania odporności radiowej wzmacniacze mocy RF generują pole testowe w komorach SAC i FAR.
• Pomiary medyczne EKG, EEG, EMG, gdzie sygnał różnicowy sięga setek mikrowoltów przy składowej wspólnej rzędu setek miliwoltów.
• Przemysłowe systemy sterowania sterowniki silników, diagnostyka akumulatorów, analogowe moduły wejściowe PLC.
• Akwizycja danych jako stopień wejściowy przed ADC w systemach wielokanałowych.

Dobór wzmacniacza zależy od zakresu częstotliwości, poziomu sygnału, poziomu szumu źródła oraz charakterystyki obciążenia.

Wzmacniacze szerokopasmowe R&S w testach EMC

W testach kompatybilności elektromagnetycznej wzmacniacz mocy RF generuje pole testowe w komorze bezodbiciowej. W naszej ofercie znajdziesz kilka rodzin wzmacniaczy szerokopasmowych Rohde & Schwarz, dopasowanych do różnych zakresów częstotliwości i mocy.

R&S BBL200 to liniowe wzmacniacze klasy A, chłodzone cieczą. Generują moc 3 kW, 5 kW lub 10 kW w zakresie od 9 kHz do 250 MHz. Zaprojektowane są do pracy ciągłej i zachowują stałą moc nawet w warunkach niedopasowania obciążenia.

R&S BBA130 pokrywa pasmo od 80 MHz do 6 GHz, przy mocy wyjściowej od 22 W do 13000 W. Obsługujesz je jako model desktopowy lub w szafie rack 19 cali. Zmiana klasy pracy tranzystorów między A a AB pozwala dopasować parametry do konkretnej aplikacji.

R&S BBA300 to kompaktowa, półprzewodnikowa platforma dla zakresu od 380 MHz do 18 GHz. Zapewnia liniową moc wyjściową do 300 W P1dB. Sprawdza się w badaniach EMC, walidacji produktów oraz testach współistnienia OTA.

R&S BBA150 obejmuje pięć pasm częstotliwości od 9 kHz do 6 GHz. Konfiguracja modułowa daje możliwość rozbudowy o kolejne pasma w trakcie eksploatacji laboratorium.

Wzmacniacze FEMTO precyzja w pomiarach niskopoziomowych

FEMTO produkuje moduły wzmacniaczy niskoszumowych od 1995 roku. W ofercie Tespol znajdziesz rodziny przeznaczone do precyzyjnych pomiarów laboratoryjnych i naukowych.

Wzmacniacze transimpedancyjne (prądowe):

• DDPCA-300 osiąga szum wejściowy 0,2 fA/√Hz i wzmocnienie od 10⁴ do 10¹³ V/A. Sprawdza się w subfemtoamperowych pomiarach prądu.
• DLPCA-200 oferuje wzmocnienie od 10³ do 10¹¹ V/A, rozdzielczość czasową do mikrosekund oraz przełączane sprzężenie AC/DC.
• DHPCA-100 konwertuje prądy przy paśmie do 200 MHz. Używasz go jako przedwzmacniacz do szybkich fotodetektorów.
• Seria HCA to szybkie wzmacniacze transimpedancyjne, niewrażliwe na pojemność źródła do 2 nF.
• Seria LCA to moduły przedwzmacniaczy montowane blisko detektora.

Wzmacniacze napięciowe:

• DLPVA to wzmacniacze niskoczęstotliwościowe z impedancją wejściową do 1 TΩ w modelach FET. Pasmo 100 kHz pozostaje stałe dla każdego wzmocnienia.
• HVA osiąga szum wejściowy 0,9 nV/√Hz. Zachowuje stałe pasmo przy przełączaniu wzmocnienia.
• DUPVA to seria szerokopasmowa z regulacją wzmocnienia do 70 dB w krokach co 10 dB.
• HSA łączy wysokie wzmocnienie, niski szum 1/f oraz pasmo od kHz do GHz.

Co warto zapamiętać?

Wzmacniacz pomiarowy jest pierwszym ogniwem toru pomiarowego i decyduje o tym, co zobaczysz na wyjściu systemu. Jakość sygnału, którą traci się na tym etapie, nie wróci w kolejnych stopniach przetwarzania.

W Tespol od ponad 30 lat dobieramy wzmacniacze pomiarowe do konkretnych aplikacji. W portfolio mamy wzmacniacze szerokopasmowe Rohde & Schwarz dla testów EMC, wzmacniacze prądowe i napięciowe FEMTO dla laboratoriów badawczych oraz wzmacniacze specjalne do zastosowań niestandardowych. Oferujemy serwis, kalibrację akredytowaną ISO 17025, doradztwo techniczne oraz szkolenia. Jeżeli potrzebujesz wsparcia w doborze wzmacniacza do swojego stanowiska pomiarowego, skontaktuj się z nami.