Измерительный усилитель

Схема типичного измерительного усилителя

Измерительный усилитель (иначе инструментальный усилитель, электрометрический вычитатель) — 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. . 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 равен:

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

(en:Instrumentation amplifier), 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, en:National Semiconductor, Analog Devices, en:Linear Technology и en:Maxim Integrated Products) выпускают интегральные схемы с инструментальным усилителем с лазерной подгонкой резисторов (AD620, MAX4194 и INA128).

Смотрите также

• Измерительный усилитель (средство измерений)
• Операционный усилитель
• Применение операционных усилителей
• Дифференциальный усилитель#Инструментальный дифференциальный усилитель
• Система сбора данных

Ссылки

• http://www.univie.ac.at/cga/courses/BE513/Instrumentation/ Instrumentation Amplifier