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 коэффициент ослабления синфазного сигнала, очень высоким входным сопротивлением и малым входным током.

Схема типичного измерительного усилителя из 3-х операционных усилителей

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

править

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   неинвертирующих усилителях. Второй каскад — обычный дифференциальный инвертирующий усилитель с высоким подавлением синфазного сигнала[3]. Для подавления синфазного коэффициента передачи сопротивления верхних по схеме резисторов   и нижних   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   — 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]:

 

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

 

Вывод коэффициента усиления инструментального усилителя

править

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

Примечания

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