Abschlusspraktikum: Sensorverstärker und Filter für niedrige Spannung

Den Bedarf in Anforderungen umwandeln

Nehmen Sie einen Sensor mit 1.65 V plus einem ±20-mV-Signal bei 10 Hz und 1 kΩ Quellenwiderstand an. Die vorgesehene physische Versorgung beträgt 3.3 V. Wählen Sie nichtinvertierende Verstärkung 11 mit 100-kΩ/10-kΩ-Rückkopplung und danach Tiefpass 15.9 kΩ/100 nF. Nehmen Sie einen nachfolgenden hochohmigen Eingang an. Die nominale Signalausgabe vor Filterung ist 1.65 V ±220 mV.

Bei 10 Hz beträgt der RC-Betrag ungefähr 0.995047. Das ideale gefilterte Signal ist ungefähr 1.65 V ±218.910 mV. Bei 1 kHz ist der Filterbetrag ungefähr 0.099600, sodass eine hypothetische 1-mV-Störung am Sensor nach Verstärkung und Filterung ungefähr 1.0956 mV am Ausgang wird. Dies ist begrenzte Unterdrückung erster Ordnung, keine Entfernung aller Störungen.

Reproduzierbares Lehrmodell

Speichern Sie sensor-capstone.cir und führen Sie ngspice -b sensor-capstone.cir mit verfügbarem eigenständigem Programm aus.

Sensor deviation gain 11 with 100 Hz RC filter: ideal educational model
Vref ref 0 DC 1.65
Vs sensor ref DC 0 SIN(0 0.02 10) AC 1
Rsource sensor plus 1k
Rg minus ref 10k
Rf amp minus 100k
Eamp amp ref plus minus 100000
Rfilter amp out 15.9k
Cfilter out 0 100n
.op
.ac dec 50 1 10000
.tran 100u 500m 0 100u
.print ac vm(out) vp(out)
.print tran v(sensor) v(amp) v(out)
.save all
.end

Die Quelle Vs bezieht sich auf die halbe Versorgung. Eamp ist eine abhängige Quelle mit endlicher Verstärkung ohne Versorgungsbegrenzung, Rauschen, GBW, Anstiegsgeschwindigkeit oder Biasstrom. Die tatsächliche geschlossene Verstärkung ist ungefähr 10.998790; verwenden Sie sie beim Vergleich hochpräziser Simulationswerte. Im Gleichstromarbeitspunkt liegen sensor, amp und out bei 1.65 V. Vergleichen Sie innerhalb 1 mV. Nach dem Start sollte die Spitzenausgangsabweichung bei 10 Hz ungefähr 218.886 mV betragen; vergleichen Sie innerhalb 2 mV.

Den physischen Entwurfsnachweis vervollständigen

Wählen Sie vor dem Aufbau ein Bauteil mit Unterstützung für 3.3-V-Versorgung, Eingangsgleichtaktbereich nahe 1.65 V, Ausgangsbereich 1.431–1.869 V und erwarteten Laststrom. Prüfen Sie Verstärkungs-Bandbreiten-Produkt, Anstiegsgeschwindigkeit, Eingangsbiasfehler über 1 kΩ, Offset, Rauschen, Entkopplung und Referenztreiber. Wählen Sie Widerstands-/Kondensatortoleranzen und bewerten Sie Grenzfrequenzextreme. Die benötigte sinusförmige Anstiegsgeschwindigkeit ist hier nur ungefähr 0.01375 V/ms, qualifiziert allein aber kein Bauteil.

Liefern Sie Verbindungstabelle, Handvorhersagen, exakte Netzliste, Ergebnistabelle und Grenzen. Erfolg des eigenständigen Modells belegt weder ALcad-Engine-Ausführung noch Sicherheit oder Genauigkeit eines physischen Sensors. Die Analysereferenz steht in der ngspice-Dokumentation.