El amplificador diferencial de dos etapas LM358 se comporta mal (tensiones de salida imprevistas)

Question

Hola a todos y gracias de antemano por echar un vistazo a mi problema.

He hecho un circuito que toma una tensión diferencial de un puente de Wheatstone (transductor de presión) y la convierte en una tensión analógica para ser leída por un ADC.

La primera etapa del amplificador toma la entrada diferencial y sale con ganancia unitaria. El pin 1 de IC4G1 está dando una salida de ~.2 voltios sin presión aplicada al transductor. Creo que la salida de la primera etapa debería ser igual a la tensión medida a través de la salida del transductor.

En el transductor de presión, IC2, la tensión Vpin4-Vpin2 = -5mV. Después de cortar las trazas que van al amplificador óptico, esa misma medición da 0V (como esperaría con presión cero en el transductor.)

La segunda etapa del amplificador óptico debería tener una ganancia de 100 veces, pero se comporta como si tuviera una ganancia de unas 50 veces.

Aquí hay una captura de pantalla de nuestro diseño.

Esperemos que haya algo sencillo que se nos escape.

Si hay alguna información que se me haya escapado, hágamelo saber y la publicaré lo antes posible. Estamos en un pequeño apuro para resolver esto.

Answer 1

Tu amplificador diferencial está cargando el puente: la impedancia de entrada diferencial no es muy alta. El efecto dependerá de tus resistencias de puente y puede tener un coeficiente de temperatura.

Al menos tan importante como eso, tienes una sola fuente de alimentación, por lo que la precisión va a peter hacia fuera cerca de la entrada de 0V (diferencial). La salida del primer op-amp no puede bajar a 0V, y especialmente no cuando está tratando de hundir toda esa corriente a través de R74 + R75 (si 2,5V es el voltaje nominal CM que será de alrededor de 62uA por lo que el fregadero 50uA dentro de la LM358 probablemente será abrumado). Por encima de 1V debería ser preciso. A 200mV, por no hablar de 5mV o cero, nah. Esto es cierto para cualquier op-amp incluyendo rail-to-rail, por cierto. No funcionan hasta los raíles. El LM358 no es tan bueno como algunos chips más modernos, pero ilustra bien el problema.

Te iría mejor con un amplificador de instrumentación (que no cargue mucho el puente) y una alimentación bipolar (que permite que los nodos internos lleguen realmente a 0V). Si tienes algún tipo de situación especial podrías usar una sola alimentación, pero eso depende de detalles no declarados.

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Edición: Aquí hay un diseño aproximado que funcionará con cualquier op-amp de carril a carril o de una sola fuente que puede manejar 20V y evita los dos defectos de diseño anteriores, incluso con una sola fuente. La salida es G*Vin(diff) + Vbias. En este caso, G = 201 y Vbias = 2.0V

También podrías bajar la tensión de alimentación, sujeto a posibles limitaciones del op-amp, lo que podría ayudar a proteger el ADC.

Answer 2

El principal problema de este diseño es la falta de especificaciones para la ganancia y el error de desplazamiento con precisión en cada uno y una prueba de calibración.

Si has hecho este ejercicio deberías observar los siguientes fallos de diseño ;

1. Error de ganancia.

• Si su tolerancia de error de ganancia es <1% entonces su carga debe ser > 100x la R de la fuente. Leyendo las especificaciones de Honeywell la impedancia de la fuente (salida) está entre 2k y 10k. La impedancia de entrada de su amplificador diferencial es de 2R en cada entrada = 40K y una impedancia diferencial de 2R=40K. Esto resulta en un error de ganancia inaceptable <20%.

• Corregir utilizando Zin >= 1M como una INA con salida Rail to Rail y ganancia variable =100

2. Error de desplazamiento

• debido a la falta de rango dinámico de los Op Amp Los tipos bipolares no son rail to rail
• También debería tener una especificación de presión nula y un error de tolerancia. Determine cuál es el peor caso de desplazamiento de entrada de presión nula y considere si es aceptable o añada un desplazamiento calibrado al amplificador óptico en mV para anularlo en el software o con un potenciómetro.

Recomendación.

• Empezar con las especificaciones de diseño antes de diseñar con tolerancias de error y límites ambientales

• verificar el diseño inicial con respecto a las especificaciones, considerar los requisitos de ruido y filtrado

• si cumple con las especificaciones, entonces haz el diseño.

• Elija un amplificador de instrumentos CMOS (INA) con especificaciones de diseño para la ganancia, la tolerancia al desplazamiento sobre todos los límites de estrés ambiental (Vdd, T'C, etc.)

  • si quieres usar el LM358 , necesitas añadir un Offset Calibrado antes como (10mV x100) y luego restar después para la presión nula.
  • Esto también puede requerir una olla para anular el offset de entrada de 3mV máximo y el offset de salida de 1V a 1mA para Vo(neg)

Otra cuestión: ¿Ganancia 50x vs 100x? el esquema está bien con Av=101. Tolerancias de los componentes no definidas. y no verificadas.

• Supongo que la presión es unipolar, pero eso tampoco está definido en las especificaciones de diseño que faltan