Измерительный усилитель

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Схема типичного измерительного усилителя

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.

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 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  — 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]:

дифференциальный коэффициент усиления напряжения всей схемы:

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:

и на выходе второго операционного усилителя (слева снизу):

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 и образуют соответствующие делители напряжения.

Напряжение на неинвертирующем входе операционного усилителя второго каскада определяется делителем напряжения, состоящем из и и будет равно:

Напряжение на его инвертирующем входе также определяется делителем напряжения, выполненном на другой паре резисторов и :

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

оттуда:

и наконец:

Окончательно имеем:

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].

См. также[править | править код]

Примечания[править | править код]

  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. Instrumentation Amplifier. Проверено 25 января 2006. Архивировано 3 ноября 2005 года.
  4. 3 Op Amp Instrumentation Amplifier
  5. http://openbookproject.net//electricCircuits/Semi/SEMI_8.html#xtocid83189 Архивная копия от 27 октября 2009 на Wayback Machine The instrumentation amplifier
  6. Three is a Crowd for Instrumentation Amplifiers
  7. 3 Разработка аппаратной части. 3.2 Инструментальный усилитель
  8. AD620
  9. MAX4194
  10. INA128