Измерительный усилитель

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Схема типичного измерительного усилителя

Измерительный усилитель (иначе инструментальный усилитель, электрометрический вычитатель[1][2]) — это тип дифференциального усилителя с характеристиками, подходящими для использования в измерениях и тестирующем оборудовании. Такие характеристики включают: очень малое смещение постоянного тока, малый дрейф, малый шум, очень высокий коэффициент усиления при разомкнутой обратной связи, очень высокий коэффициент ослабления синфазного сигнала, и очень высокие входные сопротивления. Такие усилители применяются, когда требуются большая точность и высокая стабильность схемы, как кратковременно, так и долговременно.

Наиболее часто используемая схема измерительного усилителя показана на рисунке. Измерительный усилитель представляет собой двухкаскадный усилитель. Первый каскад — дифференциальный усилитель на двух взаимосвязанных неинвертирующих усилителях. Для повышения входного сопротивления входной каскад строят на двух отдельных (невзаимосвязанных) неинвертирующих усилителях. Второй каскад — дифференциальный инвертирующий усилитель.[3] Буферные взаимосвязанные неинвертирующие усилители увеличивают входное сопротивление (импеданс) низкоимпедансного дифференциального инвертирующего усилителя. Резистор R_\mathrm{gain} — общий для обоих неинвертирующих усилителей.

Коэффициент усиления напряжения дифференциального инвертирующего усилителя (англ. Operational amplifier#Inverting amplifier) равен:[1][4][4][5][6][7][8]

K_\mathrm{Ud}=\frac{R_3}{R_2}

коэффициент усиления напряжения всей схемы составляет:

K_U=K_\mathrm{Ud}\cdot K_\mathrm{Ub}=\frac{V_\mathrm{out}}{V_2 - V_1} = \left (1 + {2 R_1 \over R_\mathrm{gain}} \right ) {R_3 \over R_2}

Строгий вывод коэффициента усиления инструментального усилителя:

На выходе первого каскада, на первом операционном усилителе напряжение составит:

Vi_1 = V_2 + \left (1 + { R_1 \over R_\mathrm{gain}} \right ) \cdot \left ( V_1 - V_2 \right )

и на втором операционном усилителе :

Vi_2 = V_1 + \left (1 + { R_1 \over R_\mathrm{gain}} \right ) \cdot \left ( V_2 - V_1 \right )

(это следует из того, что за счет обратной связи и собственного бесконечно большого коэффициента усиления операционного усилителя напряжения на инвертирующих входах примерно равны входным напряжениям на неинвертирующих входах и резисторы R1 и Rgain образуют соответствующие делители)

Напряжение на неинвертирующем входе операционного усилителя второго каскада определяется делителем собранном на резисторах R2 и R3 будет равно:

Vd_p = Vi_2 \cdot { R_3 \over { R_2 + R_3 } }

Напряжение на его инвертирующем входе так же определяется делителем собранном на другой паре резисторов R2 и R3:

Vd_m = V_\mathrm{out}-  \left ( V_\mathrm{out} - Vi_1  \right ) \cdot { R_3  \over { R_2+R_3 } }

Эти напряжения должны стать примерно равными за счет обратной связи и собственного бесконечно большого коэффициента усиления операционного усилителя:

Vi_2 \cdot { R_3 \over { R_2 + R_3 } } = V_\mathrm{out} - \left (V_\mathrm{out} - Vi_1  \right ) \cdot { R_3 \over { R_2+R_3 } }

оттуда:

V_\mathrm{out} = \left ( Vi_2 + V_\mathrm{out} - Vi_1 \right ) \cdot { R_3 \over { R_2 + R_3 } }
V_\mathrm{out} \cdot \left ( 1 + { R_2 \over R_3 } \right ) = Vi_2 + V_\mathrm{out} - Vi_1
V_\mathrm{out} \cdot { R_2 \over R_3 } = Vi_2 - Vi_1

и наконец

V_\mathrm{out} =  \left ( Vi_2 - Vi_1 \right ) \cdot { R_3 \over R_2 }  = \left ( V_1 + \left (1 + { R_1 \over R_\mathrm{gain}} \right ) \cdot \left ( V_2 - V_1 \right ) - V_2 - \left (1 + { R_1 \over R_\mathrm{gain}} \right ) \cdot \left ( V_1 - V_2 \right ) \right ) \cdot { R_3 \over R_2 } =  \left ( 1 + { 2 \cdot R_1 \over R_\mathrm{gain} } \right ) \cdot { R_3 \over R_2 } \cdot \left ( V_2 - V_1 \right )

соответственно:

K_U = \left ( 1 + { 2 \cdot R_1 \over R_\mathrm{gain} } \right ) \cdot { R_3 \over R_2 }

Инструментальный усилитель может быть построен из отдельных операционных усилителей и прецизионных резисторов. Несколько производителей (Texas Instruments, National Semiconductor, Analog Devices, Linear Technology и Maxim Integrated Products) выпускают интегральные схемы с инструментальным усилителем с лазерной подгонкой резисторов.[9][10][11]

См. также[править | править исходный текст]

Примечания[править | править исходный текст]

  1. 1 2 Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. Москва, «МИР», 1982. Стр.466, рис.25.3.
  2. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах // 2-е изд., перераб. и доп. - Л.:Энергоатомиздат,. — 1988. — С. 30.
  3. http://www.univie.ac.at/cga/courses/BE513/Instrumentation/ Instrumentation Amplifier
  4. 1 2 http://www.ecircuitcenter.com/Circuits/instamp1/instamp1.htm 3 Op Amp Instrumentation Amplifier
  5. http://openbookproject.net//electricCircuits/Semi/SEMI_8.html#xtocid83189 The instrumentation amplifier
  6. http://www.maxim-ic.com/appnotes.cfm/appnote_number/4034/ Three is a Crowd for Instrumentation Amplifiers
  7. http://www.leso.sibsutis.ru/index.php?act=article&target=dip_4 3 Разработка аппаратной части. 3.2 Инструментальный усилитель
  8. http://www.compeljournal.ru/enews/2008/7/2 OPA454 — мощный и высоковольтный
  9. AD620
  10. MAX4194
  11. INA128