Измерительный усилитель

Схема типичного измерительного усилителя из 3-х операционных усилителей

Измери́тельный усили́тель, инструмента́льный усилитель, электрометри́ческий вычитатель[1][2] — разновидность дифференциального усилителя с улучшенными параметрами — с очень малым входным смещением, малым температурным дрейфом, малым собственным шумом, высоким коэффициентом усиления, регулируемым в широких пределах изменением сопротивления одного резистора, очень высоким коэффициентом ослабления синфазного сигнала, очень высоким входным сопротивлением и малым входным током.

Такие усилители применяются, когда требуются высокая точность и кратковременная и долговременная стабильность схемы.

Применяются в измерительной технике, обработке сигналов различных датчиков и других, используется в измерительном и тестирующем оборудовании.

Описание электрической схемы

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 и представляет собой дифференциальный усилитель, выполненный на двух связанных через резистор ${\displaystyle R_{gain}}$ неинвертирующих усилителях. Второй каскад — обычный дифференциальный инвертирующий усилитель с высоким подавлением синфазного сигнала[3]. Для подавления синфазного коэффициента передачи сопротивления верхних по схеме резисторов ${\displaystyle R,\ R_{2},\ R_{3}}$ и нижних ${\displaystyle R,\ R_{2},\ R_{3}}$ соответственно, должны быть равны с высокой точностью.

Буферные входные неинвертирующие усилители увеличивают входное сопротивление (импеданс) низкоимпедансного выходного дифференциального инвертирующего усилителя для дифференциального и для синфазного сигналов, так как сигнал подается непосредственно на вход входных операционных усилителей имеющих очень малые входные токи. Резистор ${\displaystyle R_{\mathrm {gain} }}$ — общий для обоих входных неинвертирующих усилителей, изменением его сопротивления изменяют общий коэффициент усиления инструментального усилителя.

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

${\displaystyle K_{\mathrm {Ud} }={\frac {R_{3}}{R_{2}}},}$

дифференциальный коэффициент усиления напряжения всей схемы равен произведению коэффициентов усиления обоих каскадов:

${\displaystyle K_{U}=K_{\mathrm {Ud} }\cdot K_{\mathrm {Ub} }={\frac {V_{\mathrm {out} }}{V_{2}-V_{1}}}=\left(1+{2R \over R_{\mathrm {gain} }}\right){R_{3} \over R_{2}}.}$

Вывод коэффициента усиления инструментального усилителя

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:

${\displaystyle Vi_{1}=V_{2}+\left(1+{R \over R_{\mathrm {gain} }}\right)\cdot \left(V_{1}-V_{2}\right),}$

и на выходе второго операционного усилителя (слева снизу):

${\displaystyle Vi_{2}=V_{1}+\left(1+{R \over R_{\mathrm {gain} }}\right)\cdot \left(V_{2}-V_{1}\right).}$

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 ${\displaystyle R}$ и ${\displaystyle R_{\mathrm {gain} }}$ образуют соответствующие делители напряжения.

Напряжение на неинвертирующем входе операционного усилителя второго каскада определяется делителем напряжения, состоящем из ${\displaystyle R_{2}}$ и ${\displaystyle R_{3}}$ и будет равно:

${\displaystyle Vd_{p}=Vi_{2}\cdot {R_{3} \over {R_{2}+R_{3}}}.}$

Напряжение на его инвертирующем входе также определяется делителем напряжения, выполненном на другой паре резисторов ${\displaystyle R_{2}}$ и ${\displaystyle R_{3}}$:

${\displaystyle Vd_{m}=V_{\mathrm {out} }-\left(V_{\mathrm {out} }-Vi_{1}\right)\cdot {R_{3} \over {R_{2}+R_{3}}}.}$

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

${\displaystyle Vi_{2}\cdot {R_{3} \over {R_{2}+R_{3}}}=V_{\mathrm {out} }-\left(V_{\mathrm {out} }-Vi_{1}\right)\cdot {R_{3} \over {R_{2}+R_{3}}},}$

оттуда:

${\displaystyle V_{\mathrm {out} }=\left(Vi_{2}+V_{\mathrm {out} }-Vi_{1}\right)\cdot {R_{3} \over {R_{2}+R_{3}}},}$

${\displaystyle V_{\mathrm {out} }\cdot \left(1+{R_{2} \over R_{3}}\right)=Vi_{2}+V_{\mathrm {out} }-Vi_{1},}$

${\displaystyle V_{\mathrm {out} }\cdot {R_{2} \over R_{3}}=Vi_{2}-Vi_{1},}$

и наконец:

${\displaystyle V_{\mathrm {out} }=\left(Vi_{2}-Vi_{1}\right)\cdot {R_{3} \over R_{2}}=}$

${\displaystyle =\left(V_{1}+\left(1+{R \over R_{\mathrm {gain} }}\right)\cdot \left(V_{2}-V_{1}\right)-V_{2}-\left(1+{R \over R_{\mathrm {gain} }}\right)\cdot \left(V_{1}-V_{2}\right)\right)\cdot {R_{3} \over R_{2}}=}$

${\displaystyle =\left(1+{2\cdot R \over R_{\mathrm {gain} }}\right)\cdot {R_{3} \over R_{2}}\cdot \left(V_{2}-V_{1}\right).}$

Окончательно имеем:

${\displaystyle K_{U}=\left(1+{2\cdot R \over R_{\mathrm {gain} }}\right)\cdot {R_{3} \over R_{2}}}$

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].

См. также

• Операционный усилитель
• Применение операционных усилителей
• Дифференциальный усилитель#Инструментальный дифференциальный усилитель
• Система сбора данных

Примечания

1. 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  (неопр.). Дата обращения: 25 января 2006. Архивировано 3 ноября 2005 года.
4. 3 Op Amp Instrumentation Amplifier  (неопр.). Дата обращения: 13 сентября 2009. Архивировано из оригинала 2 марта 2011 года.
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  (неопр.). Дата обращения: 13 сентября 2009. Архивировано 12 декабря 2009 года.
7. 3 Разработка аппаратной части. 3.2 Инструментальный усилитель
8. AD620  (неопр.). Дата обращения: 13 сентября 2009. Архивировано 1 января 2011 года.
9. MAX4194  (неопр.). Дата обращения: 13 сентября 2009. Архивировано из оригинала 2 мая 2010 года.
10. INA128  (неопр.). Дата обращения: 13 сентября 2009. Архивировано 5 августа 2011 года.