Измерительный усилитель на оу. Измерительный усилитель на трех операционных усилителях: принцип работы и преимущества

Как работает измерительный усилитель на трех ОУ. Каковы его основные преимущества перед обычными дифференциальными усилителями. Почему он обеспечивает лучшее подавление синфазного сигнала. Как настраивается коэффициент усиления измерительного усилителя.

Принцип работы измерительного усилителя на трех ОУ

Измерительный усилитель на трех операционных усилителях является одной из наиболее распространенных и эффективных схем для прецизионного усиления дифференциальных сигналов. Рассмотрим основные принципы его работы:

• Два входных ОУ работают как повторители напряжения, обеспечивая высокое входное сопротивление
• Резистор R_G между входными ОУ задает коэффициент усиления
• Третий ОУ включен по схеме дифференциального усилителя и вычитает выходные сигналы входных ОУ
• Синфазный сигнал проходит через входные ОУ без усиления и подавляется на выходном ОУ

Такая архитектура позволяет получить ряд важных преимуществ по сравнению с обычным дифференциальным усилителем на одном ОУ.

Преимущества измерительного усилителя на трех ОУ

Основные достоинства измерительного усилителя на трех ОУ:

• Очень высокое и хорошо согласованное входное сопротивление обоих входов
• Возможность получения большого коэффициента усиления
• Высокий коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС)
• Простая настройка коэффициента усиления одним резистором
• Низкий дрейф и низкий шум

Благодаря этим характеристикам, измерительные усилители на трех ОУ широко применяются для усиления сигналов с датчиков в прецизионных измерительных системах.

Подавление синфазного сигнала в измерительном усилителе

Высокий коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС) является одним из ключевых преимуществ измерительного усилителя. Как достигается эффективное подавление синфазной помехи?

• Входные ОУ передают синфазный сигнал без усиления
• Дифференциальный сигнал усиливается в соответствии с заданным коэффициентом
• Выходной ОУ вычитает усиленные сигналы, подавляя синфазную составляющую
• КОСС растет пропорционально коэффициенту усиления

В результате измерительный усилитель может эффективно выделять слабые полезные сигналы на фоне сильных синфазных помех.

Настройка коэффициента усиления

Одно из удобств измерительного усилителя — простая настройка коэффициента усиления с помощью одного резистора R_G. Коэффициент усиления определяется формулой:

K = 1 + (2R/R_G)

Где R — номинал внутренних резисторов усилителя. Изменяя сопротивление R_G, можно легко задавать требуемый коэффициент усиления от 1 до 1000 и более.

Применение измерительных усилителей

Благодаря своим уникальным характеристикам, измерительные усилители на трех ОУ нашли широкое применение в различных областях:

• Прецизионные измерительные системы
• Медицинская электроника
• Системы сбора данных
• Усилители для тензодатчиков
• Усилители для термопар

Везде, где требуется точное усиление слабых дифференциальных сигналов в присутствии сильных помех, измерительный усилитель является оптимальным решением.

Выбор измерительного усилителя

При выборе измерительного усилителя для конкретного применения следует учитывать следующие ключевые параметры:

• Требуемый коэффициент усиления
• Необходимый КОСС
• Уровень шумов и дрейфа
• Входной и выходной диапазоны напряжений
• Полоса пропускания
• Напряжение питания

Правильный выбор измерительного усилителя позволит получить оптимальные характеристики измерительной системы.

Практические рекомендации по применению

При использовании измерительного усилителя в реальных схемах следует учитывать несколько важных моментов:

• Использовать качественные малошумящие источники питания
• Обеспечить хорошую развязку по питанию
• Применять экранирование входных цепей
• Использовать симметричные линии для передачи дифференциальных сигналов
• Правильно выбирать номинал резистора установки усиления

Соблюдение этих рекомендаций позволит максимально реализовать потенциальные характеристики измерительного усилителя.

Заключение

Измерительный усилитель на трех операционных усилителях является мощным инструментом для прецизионного усиления слабых дифференциальных сигналов. Его уникальная архитектура обеспечивает отличное подавление синфазных помех, высокое входное сопротивление и простую настройку коэффициента усиления. Правильное применение измерительных усилителей позволяет создавать высокоточные измерительные системы для широкого круга задач.

Измерительный усилитель на трех ОУ.

Заглавная страница Избранные статьи Случайная статья Познавательные статьи Новые добавления Обратная связь КАТЕГОРИИ: Археология Биология Генетика География Информатика История Логика Маркетинг Математика Менеджмент Механика Педагогика Религия Социология Технологии Физика Философия Финансы Химия Экология ТОП 10 на сайте Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации Техника нижней прямой подачи мяча. Франко-прусская война (причины и последствия) Организация работы процедурного кабинета Смысловое и механическое запоминание, их место и роль в усвоении знаний Коммуникативные барьеры и пути их преодоления Обработка изделий медицинского назначения многократного применения Образцы текста публицистического стиля Четыре типа изменения баланса Задачи с ответами для Всероссийской олимпиады по праву Мы поможем в написании ваших работ! ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ? Влияние общества на человека Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации Практические работы по географии для 6 класса Организация работы процедурного кабинета Изменения в неживой природе осенью Уборка процедурного кабинета Сольфеджио. Все правила по сольфеджио Балочные системы. Определение реакций опор и моментов защемления

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 7Следующая ⇒ Улучшить характеристики схемы дифференциального усилителя можно, включив между источником сигнала и каждым из входов неинвертирующий повторитель. Эти повторители будут служить буферами, в результате чего входное сопротивление измерительного усилителя повысится, и влияние выходного сопротивления источников сигнала на дифференциальный коэффициент усиления и КОСС практически будет устранено. Недостатком такого решения является то, что здесь потребуется большой КОСС и в повторителях и в выходном ОУ. Лучшими характеристиками обладает схема, приведенная на следующем рисунке и принятая в качестве стандартной схемы измерительного усилителя.   Схема измерительного усилителя на трех ОУ   Общий КОСС измерительного усилителя определяется соотношением как и в случае с одним ОУ. Измерительные усилители на трех ОУ имеют КОСС выше, чем схемы на двух ОУ. Они выпускаются в виде ИМС с внутренними согласованными резисторами (AD620, LM363, ICL7605 и др.). Обычно эти ИМС имеют выводы для подключения внешнего резистора R Р, которым задается дифференциальный коэффициент усиления, а также вход опорного напряжения «REF», который используется во многих приложениях. Например, ИУ INA118 имеет низкое смещение нуля VOFF = 50 мкВ, широкий диапазон напряжений питания (±1.35… ±18 В) и входных напряжений (до ±40 В), малый потребляемый ток — 0.35 мА и широкий диапазон коэффициентов усиления (1…104), устанавливаемых одним внешним резистором. Шумовые характеристики промышленных моделей измерительных усилителей на трех ОУ имеют некоторые особенности. Дело в том, что низким внутренним шумом обладают только входные усилители. Шум выходного ОУ значительно больше. Поэтому ИУ с большим коэффициентом усиления имеет шум, приведенный к входу, значительно меньший, чем тот же ИУ с единичным усилением. То же самое можно сказать и о смещении нуля. Интересно, что фирма Maxim выпускает ИМС скоростного дифференциального приемника линии МАХ4146, построенного на трех ОУ. По динамическим характеристикам он оставляет обычные ИУ далеко позади — его полоса пропускания составляет 70 МГц при К = 10, а скорость нарастания достигает 800 В/мкс. Усилитель имеет прекрасные шумовые характеристики — 3.5 нВ/  (К= 100), но довольно большие входные токи — 10 мкА. Основные параметры дифференциальных и измерительных усилителей В заключение отметим следующие преимущества измерительных усилителей на одном и трех ОУ. На одном ОУ • косс может быть подстроен внешним резистором до очень больших значений; • могут быть достигнуты высокие рабочие значения синфазных и дифференциальных входных напряжений; • низкая стоимость. На трех ОУ • высокий КОСС без подстройки; • высокое входное сопротивление; • коэффициент усиления устанавливается одним резистором. ⇐ Предыдущая1234567Следующая ⇒ Читайте также:  Алгоритмические операторы Matlab Конструирование и порядок расчёта дорожной одежды Исследования учёных: почему помогают молитвы? Почему терпят неудачу многие предприниматели? 

Последнее изменение этой страницы: 2020-12-09; просмотров: 359; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы! infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь — 161.97.168.212 (0.004 с.)

Вычисление суммы, разности, интеграла и производной на ОУ / Хабр

В предыдущей публикации цикла мы разобрались, как рассчитать пропорциональное (усилительное) звено на реальном операционном усилителе с учётом его статических и динамических характеристик.

В данной публикации цикла мы научимся с помощью ОУ производить операции сложения и вычитания. Кроме того, мы разберём работу интегрирующих и дифференцирующих звеньев, а также схемы выборки-хранения.

На КДПВ к компании операционных усилителей К140УД708 и К574УД2Б добавлен прецизионный ОУ К140УД1408 – советский аналог LM308.

Для тех, кто присоединился недавно, сообщаю, что это третья из шести публикаций цикла. Содержание публикаций со ссылками на них находится в конце статьи.

Суммирующий усилитель

Операцию сложения на ОУ можно выполнить с помощью суммирующего усилителя. Простейший суммирующий усилитель можно получить добавлением резистора в схему инвертирующего усилителя на ОУ:

Далее аналогично методике расчёта передаточной характеристики инвертирующего усилителя. На инвертирующем входе ОУ присутствует потенциал 0 В. Сумма входных токов через входные резисторы, вследствие наличия на входах напряжений U_вх1 и U_вх2, компенсируется током через резистор обратной связи R2. Падения напряжений на входных резисторах численно равны U_вх1 и U_вх2, падение напряжения на резисторе R2 равно U_вых.

Передаточную характеристику простейшего суммирующего усилителя при равенстве сопротивлений входных резисторов можно представить в виде формулы:

Сопротивление резистора R3, подключённого к неинвертирующему входу ОУ для компенсации тока смещения, равно сопротивлению резисторов в цепи ООС, включённых параллельно.

Для корректной работы суммирующего звена источники сигнала должны иметь как можно более низкое выходное сопротивление, чтобы на результат вычислений не влияло низкое входное сопротивление звена, а источники сигнала не шунтировали друг друга.

Разностный усилитель

Операцию вычитания на ОУ можно выполнить с помощью разностного усилителя. Схему разностного (дифференциального) усилителя тоже можно получить доработкой схемы инвертирующего усилителя на ОУ:

Для сигнала U_вх1 схема ведёт себя как неинвертирующий усилитель, а для сигнала U_вх2 – как инвертирующий. Передаточную характеристику простейшего разностного усилителя при условии попарного равенства сопротивлений R1 = R3 и R2 = R4 можно выразить формулой:

Схема простейшего разностного усилителя проста и наглядна, но не отражает всю сложность поведения этого звена:

1. Входы простейшего разностного усилителя при R1 = R3 и R2 = R4 имеют, тем не менее, разное входное сопротивление, т.е. по-разному влияют на источники входного сигнала.
2. При изменении коэффициента передачи простейшего разностного усилителя требуется тщательный подбор номиналов всех четырёх резисторов, чтобы обеспечить и примерное равенство входных сопротивлений, и нужные коэффициенты передачи по каждому входу.

Измерительный усилитель

Измерительный (инструментальный) усилитель является разностным усилителем с одинаковым сопротивлением входов и возможностью настройки коэффициента передачи изменением номинала только одного резистора в цепи ООС:

По сравнению с простейшим разностным усилителем схема значительно усложнена, но настройка коэффициента передачи сводится к подбору сопротивления только одного резистора R1. Всю остальную схему можно разместить на одном кристалле, что повышает технологичность и упрощает обеспечение равенства сопротивлений остальных резисторов.

Коэффициент передачи измерительного усилителя рассчитывается по формуле:

Измерительный усилитель обладает рядом замечательных особенностей:

1. Если из схемы исключить R1 (R1 = ∞) коэффициент передачи измерительного усилителя становится равным единице, и напряжение на выходе будет равно разности напряжений на входах.
2. Если подать на верхний вход измерительного усилителя напряжение U_вх1 = 0 В, его можно использовать как инвертирующий усилитель с высоким входным сопротивлением.
3. Если подать на нижний вход измерительного усилителя напряжение U_вх2 = 0 В, его можно использовать как «классический» неинвертирующий усилитель.
4. Высокое входное сопротивление позволяет подключить к каждому входу сумматор на резисторах, как в схеме суммирующего усилителя.

Вышеперечисленные особенности позволяют использовать схему в качестве универсального инструмента. Измерительные усилители выпускаются промышленностью готовыми. Сдерживающим фактором применения измерительных усилителей является их повышенная стоимость, поэтому обычно их применяют в критичных высокобюджетных решениях.

Интегрирующее звено

Интегрирующее звено предназначено для вычисления интеграла по времени. Звено является инерционным:

Коэффициент передачи интегрирующего звена при R2 = ∞:

Интегрирующие звенья обычно разрабатывают на основе ОУ с полевыми транзисторами на входе и пренебрежительно малыми входными токами, чтобы минимизировать дрейф выходного напряжения. Если от дрейфа избавиться не удаётся, параллельно конденсатору включают резистор R2 с сопротивлением порядка единиц-десятков МОм для обеспечения ООС по постоянному току.

Резистор R2 ухудшает интегрирующие свойства звена на очень низких частотах и снижает стабильность работы. Если избавиться от ООС по постоянному току в интегрирующем звене не удаётся, имеет смысл попытаться заменить R2 эквивалентным Т-мостом по методике, приведённой в первой публикации цикла.

Дифференцирующее звено

Дифференцирующее звено предназначено для вычисления производной по времени:

Коэффициент передачи дифференцирующего звена при C2 = 0:

Дифференцирующие звенья тоже разрабатывают на основе ОУ с полевыми транзисторами на входе и пренебрежительно малыми входными токами. Конденсатор C2 служит для снижения чувствительности звена к высокочастотным помехам и повышения стабильности работы звена на верхних частотах рабочего диапазона.

Схема выборки-хранения

Схемы выборки-хранения служат для записи и хранения значения аналогового сигнала:

При замыкании контактов S2 производится сброс записанного в конденсатор C1 значения. При замыкании контактов S1 происходит запись в C1 значения U_вх. При размыкании S1 записанное значение хранится в C1.

В качестве DA2 следует применять ОУ с полевыми транзисторами на входе. В качестве C1 следует применять конденсаторы с низким током утечки и низкой абсорбцией заряда в диэлектрике.

ПИД-регулятор

Все рассматриваемые в рамках публикации звенья объединяет то, что они используются в ПИД-регуляторах:

ПИД-регулятор это устройство, формирующее управляющее воздействие u(t) на объект регулирования по сигналу рассогласования e(t), равного разности заданного значения x(t) и контролируемого значения y(t), получаемого по цепи обратной связи.

Управляющее воздействие u(t) формируется по формуле:

Схема формирования сигнала рассогласования e(t) выбирается исходя из требований точности и бюджета. Зачастую, вместо дорогих интегральных измерительных усилителей, экономически целесообразней использовать схемы простейших разностных усилителей с тщательно подобранными номиналами резисторов.

Поскольку схемы интегрирующего и дифференцирующего звеньев являются инвертирующими, в качестве пропорционального звена следует также использовать инвертирующий усилитель. Если при этом в качестве выходного сумматора применить рассмотренный выше суммирующий усилитель, передаточная функция регулятора будет точно соответствовать формуле (15).

Схемы выборки-хранения обычно применяют для хранения начальных или контрольных значений параметров. Например, сигнала датчика в начальный момент времени и т.п.

Подробней о ПИД-регулировании можно узнать отсюда. Особенное внимание следует обратить на методику подбора коэффициентов.

▍ От автора

Дифференциальный усилитель фигурирует в тексте как «разностный», чтобы его не путали с дифференцирующим звеном.

Вопросы оценки погрешности вычислений остались за рамками публикации, но при необходимости все необходимые для этого методики можно найти в [1].

Из следующей публикации цикла мы узнаем: как реализовать на ОУ функцию умножения, как сравнить по значению два сигнала, как найти наибольшее значение, а также многое другое.

Данный цикл публикаций состоит из шести частей. Краткое содержание публикаций:

1. Предпосылки появления ОУ. «Идеальный» операционный усилитель. Инвертирующий и неинвертирующий усилители, повторитель.
2. Отличия «реального» ОУ от «идеального». Основные характеристики реального ОУ. Ограничения реального ОУ.
3. Суммирующий усилитель. Разностный усилитель. Измерительный усилитель. Интегрирующее звено. Дифференцирующее звено. Схема выборки-хранения. < — Вы тут
4. Активный детектор. Активный пиковый детектор. Логарифмический усилитель. Активный ограничитель сигнала. Компаратор на ОУ. Источник опорного напряжения. Источник тока. Усилитель мощности.
5. Частотно-зависимая обратная связь в ОУ. Активные фильтры на ОУ. Генераторы сигналов на ОУ.
6. Однополярное включение ОУ. Входные помехи, «развязки» и защиты входных цепей, экранирование.

▍ Использованные источники:

1. Гутников. Интегральная электроника в измерительных устройствах. Энергоатомиздат, 1988
2. Хоровиц, Хилл. Искусство схемотехники. 2-изд. Мир, 1993
3. Титце, Шенк. Полупроводниковая схемотехника. 5-изд. Мир, 1982
4. Шкритек. Справочное руководство по звуковой схемотехнике. Мир, 1991

В чем разница между операционными усилителями и инструментальными усилителями?

Загрузите эту статью в формате PDF.

Термин инструментальный усилитель (INA) часто используется неправильно, имея в виду приложение, а не архитектуру устройства. Исторически сложилось так, что любой усилитель, который считался прецизионным (т. е. реализующим какую-либо коррекцию входного смещения), считался INA, поскольку он был разработан для использования в измерительных системах. INA относятся к операционным усилителям (операционным усилителям), поскольку они основаны на тех же основных строительных блоках. Но INA — это специализированное устройство, предназначенное для конкретной функции, а не фундаментальный строительный блок. В этом отношении INA не являются операционными усилителями, поскольку они предназначены для работы по-другому.

СОДЕРЖАНИЕ

• Основные различия

• Разница AMP

• Двухоперманеной INA

• Трехмопный AMP INA

• Спецификации INA и OP-AMP

• Wheatstone Bridge

.

• Обзор

Основные отличия

Возможно, наиболее заметным различием между INA и операционным усилителем с точки зрения использования является отсутствие контура обратной связи. Операционные усилители могут быть сконфигурированы для выполнения широкого спектра функций, включая инвертирующий коэффициент усиления, неинвертирующий коэффициент усиления, повторитель напряжения, интегратор, фильтр нижних частот, фильтр верхних частот и многие другие. Во всех случаях пользователь обеспечивает петлю обратной связи от выхода операционного усилителя к входу, и эта петля обратной связи определяет функцию схемы усилителя. Благодаря этой гибкости операционные усилители повсеместно используются в самых разных приложениях. INA, с другой стороны, имеет внутреннюю обратную связь, поэтому на входные контакты нет внешней обратной связи. Для INA конфигурация ограничена одним или двумя внешними резисторами или, возможно, программируемым регистром для установки коэффициента усиления усилителя.

INA специально разработаны и используются благодаря своим возможностям дифференциального усиления и подавления синфазного сигнала (CMR). INA будет усиливать разницу между инвертирующим и неинвертирующим входами, подавляя любой сигнал, общий для обоих входов, в результате чего на выходе INA не будет присутствовать синфазная составляющая. Операционный усилитель, настроенный на усиление (инвертирующий или неинвертирующий), будет усиливать входной сигнал на установленное усиление с обратной связью, но синфазный сигнал останется на выходе. Разница в усилении между интересующим сигналом и синфазным сигналом уменьшает синфазный сигнал (в процентах от дифференциального сигнала), но синфазный сигнал все еще присутствует на выходе операционного усилителя, что ограничивает динамический диапазон усилителя. выход.

Как уже упоминалось, INA используются для выделения слабого сигнала при наличии большой синфазной составляющей, но эта синфазная составляющая может принимать различные формы. При использовании датчика в конфигурации моста Уитстона (которую мы рассмотрим позже) имеется большое постоянное напряжение, общее для обоих входов. Однако сигналы помех могут принимать различные формы. Одним из распространенных источников являются помехи на частоте 50 или 60 Гц от линий электропередач, не говоря уже о гармониках. Этот источник изменяющейся во времени ошибки также часто сильно колеблется в зависимости от частоты, что чрезвычайно затрудняет компенсацию на выходе INA. Эти различия делают важным указание CMR не только при постоянном токе, но и во всем диапазоне частот.

Дифференциальный усилитель

Разработчики могут спросить, могут ли они собрать INA из простых операционных усилителей. Короткий ответ: они могут. Но всегда есть компромиссы! Сначала можно подумать о простой схеме разностного усилителя, иногда называемой вычитателем, которая обеспечивает дифференциальное усиление и имеет некоторый CMR, именно для этого INA и предназначен (рис. 1) . Эта схема представляет собой несколько компромиссов.

1. Анализ ограничений дифференциальных усилителей помогает понять, почему непросто сделать INA из нескольких операционных усилителей.

Сначала рассмотрим входное сопротивление. Это относительно низкое значение, определяемое номиналами резисторов, которые могут составлять порядка 100 кОм. Во-вторых, входные импедансы не согласованы, а это означает, что через каждую ногу будет протекать разный ток, что приведет к ухудшению CMR. Другим недостатком этой простой схемы является необходимость согласования резисторов. Уровень согласования пар резисторов, а не самого операционного усилителя, в основном определяет его CMR. Любое несоответствие в этих парах резисторов уменьшит CMR, который можно рассчитать как:

CMR = 20 log [(1 + R2/R1)/R _t ]

Где R _t = общее несоответствие пар резисторов в дробной форме. Например, предположим, что R1 = R2 = R3 = R4 (обеспечивает единичное усиление), а несоответствие резисторов составляет 1%. Используя приведенное выше уравнение:

CMR = 20 log (1 + 10,01)

CMR = 46 дБ

Как показывает этот пример, характеристики, которых можно достичь с помощью этой простой схемы, чрезвычайно ограничены. Даже при подборе резисторов вручную добиться CMR выше 66 дБ будет сложно. Кроме того, это не устраняет колебания, вызванные температурой, так как любая разница в температурных коэффициентах между резисторами еще больше увеличит несоответствие и приведет к ухудшению CMR. Учитывая все эти факторы и ограничения, монолитный дифференциальный усилитель обычно является лучшим решением для относительно высокопроизводительных приложений.

Обсуждаемая ранее схема дифференциального усилителя технически не является INA, но она полезна для определенных приложений, требующих высокой скорости и/или высоких уровней синфазного напряжения. Для прецизионных приложений фактический INA часто является лучшим выбором. Для создания INA используются две общие схемы: одна на основе двух усилителей, а другая на основе трех усилителей. Оба будут подробно рассмотрены. Обратите внимание, что эти базовые схемы могут быть построены с использованием стандартных операционных усилителей, но они также являются основными концепциями схем, используемыми во многих монолитных INA, предлагаемых сегодня.

INA с двумя операционными усилителями

Эта популярная схема INA основана на двух усилителях (рис. 2) . В этой схеме общий коэффициент усиления устанавливается с помощью одного резистора, обозначенного ниже как R _G , так что:

G = 1 + R2/R1 + (2*R2)/R _G

INA с двумя операционными усилителями, коэффициент усиления задается одним резистором. Единичный коэффициент усиления невозможен, а синфазный диапазон ограничен.

Одним из ограничений этой архитектуры схемы является то, что она не поддерживает единичное усиление. Хотя большинство INA используются для обеспечения усиления (и, следовательно, единичное усиление не критично), некоторые приложения специально используют INA исключительно для CMR. Таким образом, разумно предположить, что INA можно использовать в конфигурации с единичным усилением для некоторых приложений.

Другим недостатком INA с двумя операционными усилителями является ограниченный диапазон синфазного сигнала входа, особенно при более низких коэффициентах усиления и при использовании с операционными усилителями с однополярным питанием. Имейте в виду, что усилитель в левой части рисунка 2 должен усиливать входной сигнал в неинвертирующем узле на 1 + R1/R2. Таким образом, если синфазный сигнал входного сигнала слишком высокий, усилитель будет насыщаться (исчерпать запас по запасу на выходе). При более высоких коэффициентах усиления имеется больше запаса мощности усилителя, и схема может поддерживать более широкий CMR входного сигнала при прочих равных условиях.

Одним из ограничений рассмотренной ранее схемы дифференциального усилителя является низкий входной импеданс. Схема INA с двумя операционными усилителями не имеет этой проблемы, поскольку два дифференциальных входных сигнала подаются непосредственно на входные контакты усилителей, сопротивление которых обычно составляет миллионы Ом. Но из-за различий в трактах входных сигналов существует разница в задержке между дифференциальными входными сигналами, что приводит к плохому CMR по частоте — критическая характеристика для INA. Подобно схеме дифференциального усилителя, согласование отношений резисторов снова ограничивает CMR на постоянном токе.

Монолитный INA, основанный на этой архитектуре с двумя операционными усилителями, по своей природе будет иметь лучшее согласование резисторов и отслеживание температуры по сравнению с дискретным решением, поскольку резисторы на основе кремния могут быть подогнаны для обеспечения согласования порядка 0,01%. Тем не менее, архитектура INA с двумя операционными усилителями имеет определенные ограничения, которые невозможно преодолеть без изменения архитектуры схемы.

INA с тремя операционными усилителями

Вторая общая схема INA на трех операционных усилителях (рис. 3) . Задняя половина этой схемы идентична разностному усилителю, который обсуждался ранее. Добавление двух буферов на операционных усилителях на входе схемы обеспечивает источник с высоким, хорошо согласованным импедансом, устраняя одну из основных проблем, связанных с простой дифференциальной схемой. Дифференциальный усилитель на конце обеспечивает подавление синфазной составляющей.

3. В традиционном INA с тремя операционными усилителями R _G устанавливает фактическое усиление сигнала, но синфазные сигналы проходят только через первые два усилителя с единичным усилением.

В этой конфигурации коэффициент усиления схемы устанавливается номиналом резистора, обозначенного R _G . Глядя на входной каскад, состоящий из двух операционных усилителей, любой синфазный сигнал усиливается только с единичным усилением, независимо от дифференциального усиления (установленного R _G ) в первых двух усилителях. Следовательно, эта схема может работать в широком диапазоне синфазных сигналов (ограниченном запасом мощности первых двух усилителей) независимо от коэффициента усиления. Это преимущество перед INA с двумя операционными усилителями. Дифференциальный усилитель затем удалит любые синфазные компоненты. Подобно предыдущим архитектурам, которые обсуждались, производительность CMR зависит от согласования отношения резисторов:

CMR = 20 log (усиление * 100R _t )

, где R _t = общее несоответствие пар резисторов. Поскольку синфазный компонент всегда имеет единичное усиление, CMR INA с тремя операционными усилителями будет увеличиваться пропорционально величине дифференциального усиления.

Несколько монолитных INA основаны на этой схемной концепции. Монолитное решение предлагает очень хорошо согласованные усилители, а возможность использования подстроенных резисторов приводит к хорошему CMR и точности усиления. Совсем недавно монолитные INA улучшили эту базовую архитектуру. Например, топологии токового режима устраняют необходимость точного согласования резисторов для достижения высокого CMR. В любом случае дискретное решение, использующее операционные усилители и дискретные компоненты, как правило, будет более дорогостоящим и приведет к снижению производительности.

Спецификации INA и операционных усилителей

Поскольку операционные усилители и INA связаны между собой, а операционные усилители могут использоваться для создания INA, существуют некоторые технические характеристики, общие как для усилителей, так и для INA. Но есть также спецификации, которые являются уникальными для INA из-за специфической функциональности такого устройства. Двумя важными характеристиками измерительных приложений, которые являются общими для операционных усилителей и INA, являются входной ток смещения и входное напряжение смещения/дрейф напряжения смещения.

Входной ток смещения — это величина тока, поступающего на входы усилителя, которая необходима для смещения входных транзисторов. Величина этого тока может варьироваться от микроампер до пикоампер и сильно зависит от архитектуры входной схемы усилителя. Этот параметр становится крайне важным при подключении высокоимпедансного датчика ко входу усилителя. Поскольку ток смещения протекает через этот высокий импеданс, на импедансе происходит падение напряжения, что приводит к ошибке напряжения. Независимо от того, содержит ли схема операционный усилитель или INA, ток смещения может играть решающую роль в общем бюджете ошибок схемы.

Другой важной характеристикой усилителя, общей как для операционных усилителей, так и для INA, является входное напряжение смещения. Как следует из названия, эта характеристика представляет собой разность напряжений усилителя между инвертирующим и неинвертирующим входами. Это смещение напряжения зависит от топологии усилителя и может варьироваться от микровольт до милливольт. Как и все электрические компоненты, усилители изменяют поведение в зависимости от температуры. Это, безусловно, относится к смещению напряжения усилителя. Смещение напряжения является источником ошибки. Поскольку смещение дрейфует в зависимости от температуры, эта ошибка становится коррелированной с температурой. Даже высокоточный усилитель подвержен температурному дрейфу. Выбор усилителя с малым дрейфом, например, усилителя с топологией с нулевым дрейфом, или осуществление периодической калибровки системы для калибровки смещения и дрейфа может свести к минимуму этот источник ошибки.

Из-за специализированного характера INA существуют дополнительные характеристики, которые обычно не встречаются в технических описаниях стандартных операционных усилителей, в том числе погрешность усиления и характеристика нелинейности. Погрешность усиления обычно указывается в виде максимального процента и представляет собой максимальное отклонение от идеального уравнения усиления для данного конкретного усилителя. Различия в номиналах резисторов и температурные градиенты в цепях резисторов могут внести свой вклад в погрешность усиления.

Спецификация нелинейности также описывает характеристику усиления усилителя. Эта спецификация определяет максимальное отклонение от идеальной прямолинейной передаточной функции при сравнении выхода и входа. Например, если INA сконфигурирован для усиления 10, то вход постоянного тока 100 мВ должен производить 1 В на выходе. Если на вход подается напряжение до 500 мВ, то на выходе должно быть 5 В. Эти две точки представляют собой прямолинейную передаточную функцию входа-выхода для усилителя. Спецификация нелинейности подчеркивает любое отклонение от этой прямой линии.

Мост Уитстона

Поскольку INA предназначены для обеспечения дифференциального усиления и хорошего подавления синфазных сигналов, они очень популярны для датчиков (таких как тензодатчики), расположенных в классической конфигурации моста Уитстона. Мост Уитстона для тензодатчиков состоит из четырех элементов, расположенных в виде ромба, каждая сторона которого состоит из резистивного элемента (тензодатчика или постоянного резистора). Затем к мосту прикладывается напряжение возбуждения, и измеряется выходное напряжение в середине моста.

Четвертьмост состоит только из одного элемента переменного сопротивления — тензорезистора. Полумост состоит из двух элементов с переменным сопротивлением. В полном мосту все четыре элемента представляют собой элементы с переменным сопротивлением, в данном случае тензорезисторы. Преимущество большего количества тензорезисторов заключается в повышении чувствительности. При прочих равных полумостовая конфигурация будет иметь вдвое большую чувствительность, чем четвертьмостовая, а полная мостовая будет иметь в четыре раза большую чувствительность, чем четвертьмостовая (рис. 4) . В этом примере мост Уитстона возбуждается источником постоянного тока. Предполагая, что V _DD установлен на 5 В, это создает синфазный режим постоянного тока примерно 2,5 В на центральных ответвлениях моста.

4. INA популярны для резистивных датчиков в конфигурациях с мостом Уитстона. Четвертьмост состоит только из тензорезистора, полумост состоит из двух переменных резисторов, а полный мост из четырех. Чем больше элементов, тем выше чувствительность.

Сила, приложенная к тензометрическим датчикам, изменяет их соответствующие сопротивления, создавая небольшую разницу напряжений на центральных ответвлениях. Это изменение напряжения очень мало по сравнению с синфазным напряжением, обычно порядка 10 мВ, поэтому необходимо усилить это небольшое дифференциальное напряжение. INA идеально подходит для этой задачи, не только обеспечивая необходимое усиление, но и подавляя относительно высокий синфазный сигнал (и любой дополнительный шум, общий для обоих входных сигналов). Имейте в виду, что операционный усилитель, сконфигурированный как простой каскад усиления, по-прежнему будет передавать синфазный сигнал (с единичным коэффициентом усиления) на выход, уменьшая динамический диапазон выходного сигнала.

Обзор

В мире проектирования систем термин «инструментарий» может иметь несколько значений. Исторически этот термин использовался для описания приложения, обычно физического явления, которое измеряется или регистрируется. Следовательно, любые операционные усилители, предназначенные для использования в таких приложениях, стали называться INA. Путаницу усугубляет тот факт, что настоящие INA могут быть построены с использованием операционных усилителей.

На самом деле операционные усилители и INA — это очень разные устройства, предназначенные для выполнения разных функций. INA можно рассматривать как специализированные усилители, используемые специально для их дифференциального усиления и возможностей CMR. Схемы, реализующие традиционные операционные усилители, могут быть созданы для выполнения тех же функций. Но в большинстве случаев монолитная INA обеспечит значительно более высокий уровень производительности и надежности.

Кевин Треттер  — главный инженер по маркетингу продукции подразделения аналоговых и интерфейсных продуктов Microchip в Чендлере, штат Аризона. а также стратегический маркетинг операционных усилителей, инструментальных усилителей, компараторов и усилителей с программируемым усилением. До прихода в Microchip в 2004 году он пять лет проработал инженером по приложениям аудио/промышленного преобразователя в компании Cirrus Logic в Остине, штат Техас. Он получил степень бакалавра наук в области электротехники в Технологическом институте Роуз-Халман, Терре-Хот, Индиана, в 1999 и получил степень магистра делового администрирования в Университете Сент-Эдвардс, Остин, Техас, в 2006 году.

Инструментальный усилитель с тремя операционными усилителями | Преимущества

Обычно используемая схема инструментального усилителя состоит из трех операционных усилителей. Эта схема инструментального усилителя с тремя операционными усилителями обеспечивает высокое входное сопротивление для точного измерения сигналов от преобразователей. В этой схеме к каждому входу основного разностного усилителя добавлен неинвертирующий усилитель. Схема показана на рис. 2.51 (а).

Операционные усилители A ₁ и A ₂  – это неинвертирующие усилители, образующие входной или первый каскад инструментального усилителя. Операционный усилитель A ₃ — это обычный дифференциальный усилитель, образующий выходной каскад усилителя.

Анализ инструментального усилителя с тремя операционными усилителями:

Представление блок-схемы инструментального усилителя с тремя операционными усилителями показано на рис. 2.51 (b).

Можно видеть, что выходное состояние является стандартным базовым дифференциальным усилителем. Итак, если на выходе ОУ А ₁ есть V _o1 и выход операционного усилителя A ₂ есть V _o2 , мы можем написать,

Найдем выражение для V _o2 и V _{o4 900 V 1 , V 2 , R f1 и R f2 и R G.}

Рассмотрим первый этап, как показано на рис. 2.52.

Потенциал узла A операционного усилителя A ₁ равен V ₁ . Исходя из реалистичного предположения, потенциал узла B также равен V ₁ . Следовательно, потенциал G также равен V ₁ .

Потенциал узла D операционного усилителя A ₂ равен V ₂ . Исходя из реалистичного предположения, потенциал узла C также равен V ₂ . Следовательно, потенциал H также равен V ₂ .

Входной ток операционного усилителя A ₁ и A ₂ равен нулю. Следовательно, ток I остается неизменным через R _f1 , R _G и R _f2 .

Применяя закон Ома между узлами E и F получаем,

let

Сейчас от наблюдения узлов G и H,

Приравнивание двух уравнений (5) и (6),

Заменить V _O2 — V _O1. , в уравнении (4.81),

Это общий коэффициент усиления схемы.

Преимущества инструментального усилителя с использованием 3 ОУ :

1. С помощью переменного сопротивления R _G коэффициент усиления можно легко изменять, не нарушая симметрии схемы.
Усиление
2. зависит от внешних сопротивлений, поэтому его можно точно отрегулировать и сделать стабильным путем выбора высококачественных сопротивлений.
3. Входное сопротивление зависит от входного сопротивления неинвертирующих усилителей, которое очень велико.
4. Выходное сопротивление — это выходное сопротивление операционного усилителя A ₃ , которое очень низкое. Этого требует любой инструментальный усилитель.
5. CMRR операционного усилителя A ₃ очень высокий, и большая часть синфазного сигнала будет отклонена.
6. Путем подстройки одного из сопротивлений выходного каскада можно сделать CMRR чрезвычайно высоким, как того требует хороший инструментальный усилитель.