Измерительный усилитель на трех оу

Измери́тельный усили́тель, инструмента́льный усилитель, электрометри́ческий вычитатель [1] [2] — разновидность дифференциального усилителя с улучшенными параметрами, пригоден для использования в измерительном и тестирующем оборудовании.

К таким характеристикам относят: очень малое входное смещение, малый температурный дрейф, малый собственный шум, высокий коэффициент усиления, регулируемый в широких пределах всего одним резистором, очень высокий коэффициент ослабления синфазного сигнала, очень высокие входные сопротивления, малый входной ток.

Такие усилители применяются, когда требуются большая точность и высокая стабильность схемы, как кратковременно, так и долговременно.

Применяются в измерительной технике, обработке сигналов различных датчиков и др.

Содержание

Описание электрической схемы [ править | править код ]

Классическая электрическая схема измерительного усилителя показана на рисунке. Измерительный усилитель представляет собой двухкаскадный усилитель. Для повышения входного сопротивления входной каскад строят на двух отдельных усилителях. Входной каскад представляет собой дифференциальный усилитель, выполненный на двух связанных через резистор R g a i n <displaystyle R_> неинвертирующих усилителях. Второй каскад — обычный дифференциальный инвертирующий усилитель с высоким подавлением синфазного сигнала [3] .

Буферные входные неинвертирующие усилители увеличивают входное сопротивление (импеданс) низкоимпедансного выходного дифференциального инвертирующего усилителя как для дифференциального, так и для синфазного сигналов, так как сигнал подается непосредственно на вход входных операционных усилителей имеющих очень малые входные токи. Резистор R g a i n <displaystyle R_<mathrm >> — общий для обоих входных неинвертирующих усилителей, изменением величины его сопротивления изменяют коэффициент усиления инструментального усилителя.

Коэффициент усиления выходного дифференциального инвертирующего усилителя равен [1] [4] [5] [6] [7] :

K U d = R 3 R 2 , <displaystyle K_<mathrm >=<frac <3>><2>>>,>

дифференциальный коэффициент усиления напряжения всей схемы:

K U = K U d ⋅ K U b = V o u t V 2 − V 1 = ( 1 + 2 R 1 R g a i n ) R 3 R 2 . <displaystyle K_=K_ <mathrm >cdot K_ <mathrm >= <frac >><2>-V_<1>>>=left(1+ <2R_<1>over R_ <mathrm >>
ight) <3>over R_<2>>.>

Вывод коэффициента усиления инструментального усилителя [ править | править код ]

При этом анализе предполагается, что все операционные усилители идеальные, то есть с бесконечным коэффициентом усиления, нулевыми входными токами и нулевым напряжением входного смещения.

На выходе первого каскада на первом операционном усилителе (на рисунке слева сверху) выходное напряжение:

V i 1 = V 2 + ( 1 + R 1 R g a i n ) ⋅ ( V 1 − V 2 ) , <displaystyle Vi_<1>=V_<2>+left(1+ <1>over R_ <mathrm >>
ight)cdot left(V_<1>-V_<2>
ight),>

и на выходе второго операционного усилителя (слева снизу):

V i 2 = V 1 + ( 1 + R 1 R g a i n ) ⋅ ( V 2 − V 1 ) . <displaystyle Vi_<2>=V_<1>+left(1+ <1>over R_ <mathrm >>
ight)cdot left(V_<2>-V_<1>
ight).>

Эти выражения следуют из того, что за счет обратной связи и собственного бесконечно большого коэффициента усиления операционного усилителя напряжения на инвертирующих входах точно равны входным напряжениям на неинвертирующих входах а резисторы R 1 <displaystyle R_<1>> и R g a i n <displaystyle R_<mathrm >> образуют соответствующие делители напряжения.

Напряжение на неинвертирующем входе операционного усилителя второго каскада определяется делителем напряжения, состоящем из R 2 <displaystyle R_<2>> и R 3 <displaystyle R_<3>> и будет равно:

V d p = V i 2 ⋅ R 3 R 2 + R 3 . <displaystyle Vd_

=Vi_<2>cdot <3>over <2>+R_<3>>>.>

Напряжение на его инвертирующем входе также определяется делителем напряжения, выполненном на другой паре резисторов R 2 <displaystyle R_<2>> и R 3 <displaystyle R_<3>> :

V d m = V o u t − ( V o u t − V i 1 ) ⋅ R 3 R 2 + R 3 . <displaystyle Vd_=V_ <mathrm >-left(V_ <mathrm >-Vi_<1>
ight)cdot <3>over <2>+R_<3>>>.>

Эти напряжения равны за счет действия обратной связи и собственного бесконечно большого коэффициента усиления операционного усилителя:

V i 2 ⋅ R 3 R 2 + R 3 = V o u t − ( V o u t − V i 1 ) ⋅ R 3 R 2 + R 3 , <displaystyle Vi_<2>cdot <3>over <2>+R_<3>>>=V_ <mathrm >-left(V_ <mathrm >-Vi_<1>
ight)cdot <3>over <2>+R_<3>>>,>

V o u t = ( V i 2 + V o u t − V i 1 ) ⋅ R 3 R 2 + R 3 , <displaystyle V_<mathrm >=left(Vi_<2>+V_ <mathrm >-Vi_<1>
ight)cdot <3>over <2>+R_<3>>>,> V o u t ⋅ ( 1 + R 2 R 3 ) = V i 2 + V o u t − V i 1 , <displaystyle V_<mathrm >cdot left(1+ <2>over R_<3>>
ight)=Vi_<2>+V_ <mathrm >-Vi_<1>,> V o u t ⋅ R 2 R 3 = V i 2 − V i 1 , <displaystyle V_<mathrm >cdot <2>over R_<3>>=Vi_<2>-Vi_<1>,>

V o u t = ( V i 2 − V i 1 ) ⋅ R 3 R 2 = <displaystyle V_<mathrm >=left(Vi_<2>-Vi_<1>
ight)cdot <3>over R_<2>>=> = ( V 1 + ( 1 + R 1 R g a i n ) ⋅ ( V 2 − V 1 ) − V 2 − ( 1 + R 1 R g a i n ) ⋅ ( V 1 − V 2 ) ) ⋅ R 3 R 2 = <displaystyle =left(V_<1>+left(1+ <1>over R_ <mathrm >>
ight)cdot left(V_<2>-V_<1>
ight)-V_<2>-left(1+ <1>over R_ <mathrm >>
ight)cdot left(V_<1>-V_<2>
ight)
ight)cdot <3>over R_<2>>=> = ( 1 + 2 ⋅ R 1 R g a i n ) ⋅ R 3 R 2 ⋅ ( V 2 − V 1 ) . <displaystyle =left(1+<2cdot R_<1>over R_ <mathrm >>
ight)cdot <3>over R_<2>>cdot left(V_<2>-V_<1>
ight).>

K U = ( 1 + 2 ⋅ R 1 R g a i n ) ⋅ R 3 R 2 <displaystyle K_=left(1+ <2cdot R_<1>over R_ <mathrm >>
ight)cdot <3>over R_<2>>>

Инструментальный усилитель может быть построен из отдельных дискретных компонентов — операционных усилителей и прецизионных резисторов. Несколько производителей (Texas Instruments, National Semiconductor, Analog Devices, Linear Technology и Maxim Integrated Products) выпускают готовые интегральные схемы инструментальных усилителей, при производстве которых применяется лазерная подстройка номиналов резисторов [8] [9] [10] .

Улучшить характеристики рассмотренной схемы измерительного усилителя можно, включив между источником сигнала и каждым из входов неинвертирующий повторитель. Эти повторители будут служить буферами, в результате чего входное сопротивление измерительного усилителя повысится, а влияние выходного сопротивления источников сигнала на дифференциальный коэффициент усиления и КОСС практически будет устранено. Недостатком такого решения является то, что здесь потребуется большой КОСС и в повторителях и в выходном ОУ. Лучшими характеристиками обладает схема, приведенная на рис. 23, и принятая в качестве стандартной схемы измерительного усилителя.

Рис. 23. Схема измерительного усилителя на трех ОУ

Как видно из рис. 23, напряжение на резисторе R₁ составляет U₁ – U₂. Отсюда следует,что

Эта разность преобразуется дифференциальным усилителем на ОУ3 в напряжение U_вых относительно земли. Обычно выбирается R₂ = R₃ и R₄ = R₅ = R₆ = R₇. В таком случае дифференциальный коэффициент усиления

Коэффициент усиления синфазного сигнала (из-за разбаланса резисторов):

(29)

Коэффициент усиления синфазного сигнала (из-за конечного значения КОСС ОУ3):

КСФ2 = 1/КОССОУ3

(30)

Общий К_ОСС измерительного усилителя определяется соотношением (28).

Пример 2. Пусть в схеме на рис. 23 R₁= 1 кОм,R₂ = R₃ = 50 кОм, R₄ = R₆ = R₇ = 10 кОм. Сопротивление резистора R₅ отличается от номинального значения 10 кОм на 1% и составляет 9,9 кОм. Тогда дифференциальный коэффициент усиления схемы равен 101, а К_ОСС – 20200, что выше, чем в предыдущем примере.

Измерительные усилители на трех ОУ выпускаются в виде ИМС с внутренними согласованными резисторами (AD623, LM363, ICL7605 и др.). Обычно они имеют выводы для подключения внешнего резистора R₁, которым задается дифференциальный коэффициент усиления. Например, измерительный усилитель INA118 фирмы Burr-Brown имеет низкое смещение нуля U_см = 50 мкВ, широкий диапазон напряжений питания ( +/- 1,35 . +/- 18 В) и входных напряжений (до +/- 40 В), малый потребляемый ток – 0,35 мА и широкий диапазон коэффициентов усиления (1 – 10000), устанавливаемых одним внешним резистором. В табл. 1 представлены основные характеристики некоторых моделей измерительных усилителей.

Измерительный усилитель (он же инструментальный) — разновидность дифференциального усилителя, применяемая для точных измерений разностного сигнала и тестирующего оборудования. Т.е. Это высококлассные усилители с отличными характеристиками. Они так же могут быть применены и как микрофонный пред усилители.

Классический измерительный усилитель

Измерительный усилитель — это продвинутая разновидность дифференциального усилителя, рассмотренного ранее. Такие усилители также называют инструментальными. Классическая схема измерительного усилителя приведена на следующем рисунке:

Этот усилитель, так же, как и просто дифференциальный усилитель используется для усиления разностного сигнала и подавления паразитного синфазного (т.е. приходящего сразу на оба входа) сигнала.

Плюсами этой схемы является то, что входной каскад на 2-х ОУ обеспечивают большой дифференциальный коэффициент усиления и единичный коэффициент усиления синфазных сигналов без какого-либо особо точного согласования резисторов.

Дифференциальный коэффициент усиления первого каскада определяется формулой

Второй каскад представляет из себя обычный дифференциальный усилитель. Дифференциальный коэффициент усиления которого равен 1, а коэффициент усиления синфазного сигнала равен практически 0.

Как видите паразитный синфазный сигнал, приходящий на оба входа усилителя на первом каскаде не усиливается, а на втором подавляется. При этом не обязательно, чтобы выходной ОУ имел большой КОСС, и также не обязательно прецизионное согласование резисторов R между собой, что не допустимо для обычного дифференциального усилителя.

Для такого усилителя уже не имеет значения полное сопротивление источника сигнала, которым может стать какой либо датчик или же микрофонная головка.

Инструментальный усилитель — это готовая схема микрофонного пред усилителя с симметричным входом.

Существуют также гибридные ИМС измерительных усилителей. Примерами можно привести AD623 , AD625 , AD522, INA143 , MAX4199 , LH0036 и другие. У этих ИМС, как правило, все компоненты, за исключением резистора R1 встроены внутрь. А при помощи R1, располагаемого снаружи выбирается коэффициент усиления. Диапазон регулировки усиления этих усилителей обычно составляет 1…1000, а входное полное сопротивление более 100Мом. При этом существуют как высоковольтные ( LT116 7, INA146 ) , для которых д опустимые синфазное и дифференциальное напряжения составляют до ±100 В , так и низковольтные(LH0036) способные работать от напряжения питания ± 1вольт.

Измерительный усилитель — полная схема

Самые часто используемые операционные усилители — сдвоенные. Т.е. Два ОУ в одном корпусе. Соответственно при использовании двух корпусов, один ОУ остается невостребованным. Предлагаю рассмотреть еще одну схему, в которой 4-ый ОУ будет приносить значительную пользу. К тому же измерительный усилитель чаще строится именно по такой схеме.

Добавленный нижний операционник используется как “защитный”. Усиленный синфазный сигнал этого операционника может быть использован для ослабления эффектов емкости кабеля и утечек. При таком включении защитный выход должен быть соединен с экраном входного кабеля. При этом важно, что больше экран не должен никуда быть подключен. И тем более не должен быть заземлен.

В случае, если Вы хотите вынести резистор, задающий коэффициент усиления на переднюю панель регулировок (что не рекомендуется), делать это следует экранированным кабелем, экран которого так же следует подключить к защитному выходу.

Общий коэффициент усиления показан на схеме. Типичными значениями элементов схемы можно назвать следующие —

• R₁ — 100 Ом
• R₂ — 50 кОм
• R₃ — 10 кОм
• R₄ — 10 кОм
• Входные резисторы — по 1 кОм.

Резисторы R₃ и R₄ задают коэффициент второго каскада, который представляет из себя обычный дифференциальный усилитель, и был описан в статье: Дифференциальный усилитель — схема на ОУ и его предназначение.

В скором времени запланировано изготовить несколько таких усилителей. Так что скоро здесь появится разведенная печатная плата 🙂