ENSTRÜMANTASYON AMPLİFİKATÖRLERİNİN KURULMASI

[sadogan]

Okul yılarında National bir kaynagından (şu an kaynağı hatırlamıyorum) faydalanarak bu dökümanı hazırlamıştım.
Umarım faydalı olur.

Enstrümentasyon amplifikatörleri, sensor sinyalleri, biyolojik sinyaller gibi analog sinyallerin kuvvetlendirilmesinde,
gürültü etkilerinin ortadan kaldırılmasında sıkça kullanılan op-amp konfigurasyonlarıdır.
Çeşitli sayıda op-amp kullanılarak farklı özelliklerde enstrümantasyon amplifikatörleri gerçekleştirilebilir.


Bir enstümentasyon amplifikatörü diferansiyel girişleri ve bir referans terminale göre tek çıkışı bulunan kapalı çevrim kazanç bloğu olarak tanımlanır. Giriş empedansları tipik olarak 109 Ohm veya daha fazla olacak şekilde dengeli ve yüksek empedanslardır. Bu şekilde bir konfigürasyona sahip devre, kazanç değeri çıkışıyla evirici girişi arasına konulan bir dirençle ayarlanan tek bir op-amptan farklı olarak belirlenir. Enstrümantasyon amplifikatörlerinde kazanç sinyal giriş terminallerinden izole edilmiş şekilde bir iç geribesleme direnç devresiyle belirlenir. Sinyaller iki diferansiyel girişe uygulanır. Enstrümantasyon amplifikatörlerinin tipik kazanç değerleri 1 ile 10.000 arasında değişir.

Bir enstrümantasyon amplifikatörü konfigurasyonunun verimli olabilmesi için girişlerindeki mikrovolt seviyesindeki sinyalleri kuvventlendirirken aynı zamanda ortak modlu sinyalleri ortadan kaldırması gereklidir. Bu da enstrümantasyon amplifikatörlerinin çok yüksek Ortak Mod Yoketme Oranı'na (CMRR: Common Mode Rejection Ratio) sahip olması gerektiğini gösterir. Bu değerler 70 dB den 100 dB'e kadar, daha yüksek kuvvetlendirme ölçeklerinde daha yüksek değerli olacak şekilde olabilir. Bir çok pratik uygulamada sadece DC girişler için Ortak Mod Yoketme niteliği tek başına yeterli değildir. Dışarıdan alınan girişimlerin önemli nedenlerinden bir tanesi 50/60 Hz'lik alternatif akıp güç şebekesi parazitleridir. Güç şebeke frekansının harmonikleri de sorun çıkarabilir. Diferansiyel ölçümlerde, bu tür parazitler enstrümantasyon amplifikatörünün her iki girişine de eşit dağılma eğilimi gösterir. Bu durumda parazit sinyal enstrümantasyon amplifikatörü için bir ortak mod sinyali olarak değerlendirilmelidir. Yani Ortak Mod Yoketme Oranının DC değer yerine belirli bir frekans aralığı için belirtilmesi daha anlamlı olacaktır. Kaynak empedansındaki dengesizlikler, bazı enstrümantasyon amplifikatörü konfigürasyonlarında Ortak Mod Yoketme performansını bozabilir. Bu tanımlamayı yaparken 1 kOhm'luk kaynak empedansı dengesizliğine göre yapmak yerinde olacaktır.



Çıkartıcı olarak bağlanmış op-ampların düşük frekanstaki Ortak Mod Yoketme değerleri genellikle op-amp'ın değil çevredeki dirençlerin fonksiyonudur. Direnç oranlarında % 0.1 lik bir uyumsuzluk doğru akım ortak mod yoketme değerini yaklaşık 66 dB kötüleştirir. Tek bir opamp çıkartıcıdaki diğer bir problem giriş empedansları görece az ve iki tarafta dengesiz olduğundan ortaya çıkar. Şekilde V1 tarafından görülen direnç R1 iken V2 tarafından görülen empedans değeri R1`+R2`dir. Bu tip bir konfigurasyon Ortak Mod Yoketme açısından problemli olabilir çünkü küçük bir kaynak empedansı dengesizliğinde (~10 Ohm) bile işe yarar Ortak Mod Yoketme Oranından sapılmış olur.
Op-amplarla çeşitli enstrümantasyon amplifikatörü konfigürasyonları kurulabilir, ancak yukarıdaki tek opamplık çıkarıcı devre hassas uygulamalarda gereken performans açısından yeterli değildir. Çıkarıcı devrenin olumsuzluklarının üstesinden gelen bir diğer konfigurasyon aşağıdaki iki op-amp'lı devredir. Bu devre tipik olarak iki op-amp'lı enstrümantasyon amplifikatörü olarak anılır. İkili op-amplar iyi bir denkliğin gerekli olduğu tüm durumlarda kullanılır. Giriş empedansı yüksektir, böylece sinyal kaynaklarının empedansının yüksek ve dengesiz olmasına izin verirler. DC Ortak Mod Yoketme miktarı R1/R2 nin R1`/R2`ne denkliğiyle sınırlıdır. Eğer bu dört direncin herhangi birinde uyumsuzluk varsa, DC ortak mod yoketme aşağıda belirtilen şekilde sınırlanır.



Bu tip bir konfigürasyonun sinyaldeki kazanç açısından belirgin bir avantajı vardır. Bu şekilde Ortak Mod Yoketme artar. Devreli kurarken daha düşük toleranslı ve ısıyla değişme miktarı az olan direnç türleri seçilmelidir.
İki güç kaynağı kullanıldığında (+ değerli ve – değerli) , VREF normal olarak doğrudan toprağa bağlanır. Tek güç kaynaklı uygulamalarda, VREF genellükle besleme geriliminin yarı değerine eşit düşük empedanslı bir gerilim kaynağına bağlanır. VREF'ten A noktasına kazanç R1/R2 dir, A noktasından çıkışa kadar kazanç ise R2`/R1`dir. Bu da VREF'ten çıkışa kadar kazancı, hatasız oran denkliğini varsayarak, birim kazanca eşitler. VREF tarafınan görülen kaynak empedansının düşük değerli olmasına dikkat edilmelidir, aksihalde Ortak Mod Yoketme Oranı azalır.
Bu tür bir tasarımın en önemli dezavantajı Ortak Mod gerilim giriş aralığının genişliği uğruna kazançtan ödün verilmesi gerekliliğidir. A1 amplifikatörü V1deki sinyali 1 + R1/R2 oranında kuvvetlendirmelidir.
Eğer R1, R2den çok büyükse, ortak mod sinyalin yüksek değerli olduğu hallerde A1 doyuma gider ve diferansiyel sinyalin kuvvetlendirilmesine pay kalmaz. R1 in R2 den çok küçük olduğu yüksek kazançlar için, diğerine göre A noktasında daha geniş ortak mod giriş gerilimlerine uygun bir aralık oluşur.
Bu tip bir konfigürasyonun AC Ortak Mod Yoketme Oranı genellikle zayıftır çünkü V1'den VOUT'a kadar olan sinyalde A1den kaynaklanan ek bir faz kayması vardır. Buna ek olarak, iki amplifikatör farklı kapalı çevrim kazançlarında çalışırlar (dolayısıyla farklı band genişliklerinde). Şekilde görüldüğü gibi küçük bir C ayar kapasitörü AC Ortak Mod Yoketme miktarını artırır.



RG 'nin kullanılmadığı düşük kazançlı (G=2) bir ikili op-amp konfigürasyonu yukarıda görülmektedir. Giriş ortak mod ve diferansiyel sinyalleri A1 veya A2'nin doyuma gitmesini engelleyecek şekilde sınırlandırılmalıdır. Örnekte, op amp'lar güç kaynağı sınır değerlerinin 0.1 V yakınına kadar doğrusal davranır ve üst ve alt sınırları sırasıyla VOH ve VOL dir. Şekildeki denklemlerden anlaşıldığı kadarıyla A1'in doyuma gitmesini engellemek için V1 1.3V ile 2.4V arasında olmalıdır. VREF'in VOH ve VOL'nin ortasındaki değere (2.5 V) bağlanmasına dikkat edilmelidir. Bu +2.5 volta referansla VOUT tekkutuplu diferansiyel giriş işaretlerine izin verir.
Aşağıda yüksek kazançlı, tek kaynaktan beslenen op-amplarla kurulmuş bir diğer enstrümantasyon amplifikatörü görülmektedir. Aynı denklemler kullanıldığında bu kez V1 gerilimi 0.124 V ve 3.876 V değerleri arasında olabilir. Diferansiyel giriş ve çıkış sinyallerine izin verebilmel için VREF yine 2.5 V'a bağlanmalıdır.


Yukarıdaki açıklamalardan anlaşılmaktadır ki, kazançtan bağımsız olarak, iki op-amp'lı temel enstrümantasyon amplifikatörü tek kayakla çalıştırıldığında sıfır volt ortak mod giriş gerilimlerine izin vermez. Bu sınırlamanın üstesinden gelmek için aşağıdaki devre seçilebilir.



Her op-amp ortak emiterli bir PNP giriş ve kazanç aşamasından oluşur, sırasıyla Q1/A1 ve Q2/A2. PNP transistorler sadece kazanç sağlamakla kalmaz ayrıca sinyali 0.5V civarında pozitif olarak öteler, böylece ortak mod giriş gerilimi negatif besleme sınırının 0.1V aşağısına çekilir. Maksimum pozitif giriş gerilimi pozitif besleme geriliminin bir 1V aşağısına kadardır.
Doğru olarak dengelenmiş yüksek empedanslı girişler için üç tane op-amp aşağıdaki devreyi oluşturacak şekilde bağlanabilir. Bu devre tipik olarak üç op-amp'lı enstrümantasyon amplifikatörü olarak anılır. Amplifikatörün kazancı RG direnciyle belirleniri. Bu konfigürasyonda, Ortak Mod Yoketme R3/R2 nin R3`/R2`ne denklik oranıyla belirlenir. Dahasıi ortak modlu sinyaller kazançtan bağımsız olarak sadece 1 katsayısıyla kuvvetlendirilir. RG üzerinde ortak modlu sinyal oluşmayacaktır, bu nedenle, op-ampın giriş terminalleri üzerinde önemli bir potansiyel fark olmadığından ortak modlu akım akmayacaktır. Bu durumda, Ortak Mod Yoketme teorik olarak kazançla doğru orantılı olarak artacaktır. Geniş Ortak Mod Sinyallerine (A1 ve A2nin limitleri içinde) tüm kazançlarda ulaşılabilir. Sonuç olarak, bu konfigürasyonun simetrisinden, giriş amplifikatörlerindeki ortak mod hataları çıkarıcı çıkış aşamasına geldiğinde yokolma eğilimi gösterir. Bu özellikler üç op-amplı enstrümantasyon kuvvetlendiricilerin popülerliğini açıklar.