Измерительный усилитель

У этого термина существуют и другие значения, см. Измерительный усилитель (средство измерений).

Схема типичного измерительного усилителя

Измерительный усилитель (иначе инструментальный усилитель, электрометрический вычитатель^[1]) — 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.^[2] 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:^{[3][4][3][5][6][7][1]}

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

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.^[8][9][10]

См. также

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

Примечания

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