Измерительный усилитель — Википедия

Схема типичного измерительного усилителя из 3-х операционных усилителей Схема типичного измерительного усилителя из 2-х операционных усилителей

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.

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 Rgain{\displaystyle R_{gain}} 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 Rgain{\displaystyle R_{\mathrm {gain} }} — 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]:

KUd=R3R2,{\displaystyle K_{\mathrm {Ud} }={\frac {R_{3}}{R_{2}}},}

дифференциальный коэффициент усиления напряжения всей схемы:

KU=KUd⋅KUb=VoutV2−V1=(1+2R1Rgain)R3R2.{\displaystyle K_{U}=K_{\mathrm {Ud} }\cdot K_{\mathrm {Ub} }={\frac {V_{\mathrm {out} }}{V_{2}-V_{1}}}=\left(1+{2R_{1} \over R_{\mathrm {gain} }}\right){R_{3} \over R_{2}}.}

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:

Vi1=V2+(1+R1Rgain)⋅(V1−V2),{\displaystyle Vi_{1}=V_{2}+\left(1+{R_{1} \over R_{\mathrm {gain} }}\right)\cdot \left(V_{1}-V_{2}\right),}

и на выходе второго операционного усилителя (слева снизу):

Vi2=V1+(1+R1Rgain)⋅(V2−V1).{\displaystyle Vi_{2}=V_{1}+\left(1+{R_{1} \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 R1{\displaystyle R_{1}} и Rgain{\displaystyle R_{\mathrm {gain} }} образуют соответствующие делители напряжения.

Напряжение на неинвертирующем входе операционного усилителя второго каскада определяется делителем напряжения, состоящем из R2{\displaystyle R_{2}} и R3{\displaystyle R_{3}} и будет равно:

Vdp=Vi2⋅R3R2+R3.{\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 R2{\displaystyle R_{2}} и R3{\displaystyle R_{3}}:

Vdm=Vout−(Vout−Vi1)⋅R3R2+R3.{\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:

Vi2⋅R3R2+R3=Vout−(Vout−Vi1)⋅R3R2+R3,{\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:

Vout=(Vi2+Vout−Vi1)⋅R3R2+R3,{\displaystyle V_{\mathrm {out} }=\left(Vi_{2}+V_{\mathrm {out} }-Vi_{1}\right)\cdot {R_{3} \over {R_{2}+R_{3}}},}

Vout⋅(1+R2R3)=Vi2+Vout−Vi1,{\displaystyle V_{\mathrm {out} }\cdot \left(1+{R_{2} \over R_{3}}\right)=Vi_{2}+V_{\mathrm {out} }-Vi_{1},}

Vout⋅R2R3=Vi2−Vi1,{\displaystyle V_{\mathrm {out} }\cdot {R_{2} \over R_{3}}=Vi_{2}-Vi_{1},}

и наконец:

Vout=(Vi2−Vi1)⋅R3R2={\displaystyle V_{\mathrm {out} }=\left(Vi_{2}-Vi_{1}\right)\cdot {R_{3} \over R_{2}}=}

=(V1+(1+R1Rgain)⋅(V2−V1)−V2−(1+R1Rgain)⋅(V1−V2))⋅R3R2={\displaystyle =\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}}=}

=(1+2⋅R1Rgain)⋅R3R2⋅(V2−V1).{\displaystyle =\left(1+{2\cdot R_{1} \over R_{\mathrm {gain} }}\right)\cdot {R_{3} \over R_{2}}\cdot \left(V_{2}-V_{1}\right).}

Окончательно имеем:

KU=(1+2⋅R1Rgain)⋅R3R2{\displaystyle 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 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].

Измерительный усилитель – лучшие схемы и их полное описание

Измерительный усилитель (он же инструментальный) — разновидность дифференциального усилителя, применяемая для точных измерений разностного сигнала и тестирующего оборудования. Т.е. Это высококлассные усилители с отличными характеристиками. Они так же могут быть применены и как микрофонный пред усилители.

Классический измерительный усилитель

Измерительный усилитель — это продвинутая разновидность дифференциального усилителя, рассмотренного ранее. Такие усилители также называют инструментальными. Классическая схема измерительного усилителя приведена на следующем рисунке:

Этот усилитель, так же, как и просто дифференциальный усилитель используется для усиления разностного сигнала и подавления паразитного синфазного (т.е. приходящего сразу на оба входа) сигнала.

Плюсами этой схемы является то, что входной каскад на 2-х ОУ обеспечивают большой дифференциальный коэффициент усиления и единичный коэффициент усиления синфазных сигналов без какого-либо особо точного согласования резисторов.

Дифференциальный коэффициент усиления первого каскада определяется формулой

К_дифф=1+(2R₂/R₁).

Второй каскад представляет из себя обычный дифференциальный усилитель. Дифференциальный коэффициент усиления которого равен 1, а коэффициент усиления синфазного сигнала равен практически 0.

Как видите паразитный синфазный сигнал, приходящий на оба входа усилителя на первом каскаде не усиливается, а на втором подавляется. При этом не обязательно, чтобы выходной ОУ имел большой КОСС, и также не обязательно прецизионное согласование резисторов R между собой, что не допустимо для обычного дифференциального усилителя.

Для такого усилителя уже не имеет значения полное сопротивление источника сигнала, которым может стать какой либо датчик или же микрофонная головка.

Инструментальный усилитель — это готовая схема микрофонного пред усилителя с симметричным входом.

Существуют также гибридные ИМС измерительных усилителей. Примерами можно привести AD623, AD625, AD522, INA143, MAX4199, LH0036 и другие. У этих ИМС, как правило, все компоненты, за исключением резистора R1 встроены внутрь. А при помощи R1, располагаемого снаружи выбирается коэффициент усиления. Диапазон регулировки усиления этих усилителей обычно составляет 1…1000, а входное полное сопротивление более 100Мом. При этом существуют как высоковольтные (LT1167, INA146) , для которых допустимые синфазное и дифференциальное напряжения составляют до ±100 В, так и низковольтные(LH0036) способные работать от напряжения питания ±1вольт.

Измерительный усилитель — полная схема

Самые часто используемые операционные усилители — сдвоенные. Т.е. Два ОУ в одном корпусе. Соответственно при использовании двух корпусов, один ОУ остается невостребованным. Предлагаю рассмотреть еще одну схему, в которой 4-ый ОУ будет приносить значительную пользу. К тому же измерительный усилитель чаще строится именно по такой схеме.

Добавленный нижний операционник используется как “защитный”. Усиленный синфазный сигнал этого операционника может быть использован для ослабления эффектов емкости кабеля и утечек. При таком включении защитный выход должен быть соединен с экраном входного кабеля. При этом важно, что больше экран не должен никуда быть подключен. И тем более не должен быть заземлен.

В случае, если Вы хотите вынести резистор, задающий коэффициент усиления на переднюю панель регулировок (что не рекомендуется), делать это следует экранированным кабелем, экран которого так же следует подключить к защитному выходу.

Общий коэффициент усиления показан на схеме. Типичными значениями элементов схемы можно назвать следующие —

• R₁ — 100 Ом
• R₂ — 50 кОм
• R₃ — 10 кОм
• R₄ — 10 кОм
• Входные резисторы — по 1 кОм.

Резисторы R₃ и R₄ задают коэффициент второго каскада, который представляет из себя обычный дифференциальный усилитель, и был описан в статье: Дифференциальный усилитель — схема на ОУ и его предназначение.

В скором времени запланировано изготовить несколько таких усилителей. Так что скоро здесь появится разведенная печатная плата 🙂

Как работает инструментальный усилитель. » Хабстаб

В одной из прошлых статей описал как, анализирую схемы, построенные на ОУ, рассматривать включение разных элементов в обратную связь — занятие малоинтересное, куча формул и ничего больше, да и такого добра хватает в интернете. На мой взгляд, более интересно будет рассмотреть классическую схему инструментального усилителя, а если быть точным мы выведем её с помощью логических рассуждений. Кстати, если кто не знает инструментальный усилитель предназначен в основном для прецизионного усиления с высокой точностью передачи сигнала.

В основе схемы инструментального усилителя лежит схема дифференциального усилителя и выглядит она так.

Из названия становится понятно, что такая схема усиливает разность сигналов, поступающих на прямой и инвертирующий вход.

Предположим, что все сопротивления равны и на Vin1 поступает 10, а на Vin2 12 вольт. Так как R3 = R4 к прямому входу будет приложена половина Vin2 — 6 вольт.

Так как в схеме присутствует отрицательная обратная связь(ООС), то напряжение на прямом и инверсном входе будут равны. Идём дальше, падение напряжения на R1 равно 4 вольтам и такое же напряжение падает на R2(так как R1 = R2 и соединены последовательно), тогда напряжение на выходе ОУ будет равно 2 вольтам, что соответствует разности входных напряжений. Результат говорит о том, что мы не усилили разность сигналов, зато убедились в том, что эта схема даёт её на выходе.

Для того чтобы усилить сигнал на выходе, полагаем что резисторы не равны и тут придётся немного посчитать.

Ток текущий через R1 и R2 можно найти следующим образом

Напряжение на прямом входе равно

Так как в схеме присутствует обратная связь Va = Vb, подставляем полученное выражение в формулу для тока вместо Va. Далее, формулу для нахождения тока подставляем в первое выражение и получаем.

Выражаем Vout

Если R1 = R3 и R2 = R4 то

Из последней формулы становится понятно, что коэффициент усиления задаётся с помощью пар резисторов R2,R4 и R1,R3.

Но у этой схемы есть несколько недостатков, один из которых, малое входное сопротивление, второй — то что входные сопротивления отличаются. Отличие входных сопротивлений приводит к смещению нуля, то есть даже при одинаковых постоянных напряжениях Vin1 и Vin2, через резисторы R1,R2 и R3,R4 будут течь разные токи, соответственно напряжения в точках Va и Vb будут отличаться.

Устранить эти недостатки можно, включив последовательно со входами буфер, построенный на ОУ.

Надо отметить что, номиналы сопротивлений в обвязке дифференциального усилителя должны быть подобраны очень точно.
И у нас снова возникает задача усилить сигнал, для этого необходимо добавить несколько резисторов как показано на схеме ниже, кстати, в реальном инструментальном усилителе все резисторы располагаются в корпусе самого инструментального усилителя, за исключением Rg, он позволяет задать нужный коэффициент усиления.

Осталось самое интересное — вывод формулы, для последней схемы.
Поскольку в буферах используется ООС напряжения на прямом и инвертирующем входе стремятся сравняться, тогда падение напряжения на Rg будет равно.

Этот же ток потечёт через резисторы R5 и создаст на них падение напряжения.


Выше было показано, что в случае равенства номиналов резисторов R1-R4, Vout = Va — Vb. На этом расчёт окончен, как видно, с помощью простых правил, можно анализировать и рассчитывать интересные схемы.

Инструментальные усилители

РАЗДЕЛ 3: Усилители для нормирования сигналов

Существует очевидное преимущество данной схемы благодаря способу усиления сигнала. Усиление пропорционально увеличивает ОСС.

Интегральные инструментальные усилители особенно хороши в условиях согласования отношения сопротивлений и согласования температурных коэффициентов резисторов, определяющих коэффициент передачи. Тонкопленочные резисторы, формируемые на кремнии, имеют начальный разброс ±20%, после лазерной подгонки разброс уменьшается до 0.01% (100 ppm). К тому же относительный температурный коэффициент тонкопленочных резисторов весьма мал, менее 3 ppm/°С (0.0003%/°С).

При использовании биполярного питания VREF обычно подключают прямо на «землю». При однополярном питании VREF подключают к малоимпедансному источнику напряжения, равному половине питания. Усиление до узла «А» равно R1/R2, а от «А» до выхода — R2’/R1’. Предполагая точное согласование резисторов, коэффициент передачи от VREF до выхода составит единицу. Отметим, что точка подключения VREF должна иметь очень низкий импеданс, иначе ОСС ухудшится.

Главный недостаток данной схемы состоит в том, что диапазон входных синфазных напряжений должен быть согласован с усилением. Усилитель А1 должен усилить сигнал V1 в (1+R2/R1) раз. Если R1 >> R2 (при малом усилении – Рис.3.27), А1 будет насыщен, и если синфазный сигнал очень велик, то он не оставит места для нужного дифференциального сигнала. Для высокого усиления (R1 << R2) существует больше места в узле «А», что допускает большую величину входного синфазного напряжения.

ОСС по переменному току данной конфигурации обычно хуже, поскольку сигнал от V1 до VOUT приобретает дополнительный фазовый сдвиг из-за А1. К тому же оба усилителя работают с разными замкнутыми коэффициентами передачи (следовательно, и с различными полосами). Как показано на рисунке, добавление малого подстроечного конденсатора «С» несколько улучшает ОСС по переменному току.

На Рис.3.28 показана схема с низким усилением (G = 2), однополярным питанием и без RG. Синфазный и дифференциальный входные сигналы должны быть ограничены до величин, не насыщающих А1 или А2. В приведенном примере операционные усилители остаются линейными в пределах 0.1 В до шин питания, а нижний и верхний пределы обозначены, соответственно, VOH и VOL. Используя равенство, рассчитаем диапазон для V1

от 1.3 В до 2.4 В без насыщения А1. (VREF подключен к среднему потенциалу между VOH и VOL — плюс 2.5 В).

V2
		VOH=4.9В
V1	VOH=4.9В	+ VOL=0.1В	VOUT
+	VOL=0.1В	A2
		–
	A1
–	R1
	10КΩ

	R1, 10КΩ	A
		R2
	R2, 10КΩ	10КΩ
VREF	2.5 В

Рис.3.28. Ограничения при однополярном питании: VS = +5В, G = 2.

©АВТЭКС Санкт-Петербург (812) 567-7202, http://www.autexspb.da.ru, E-mail: [email protected] Автор перевода: Горшков Б.Л.

Инструментальные усилители

РАЗДЕЛ 3: Усилители для нормирования сигналов

Существует очевидное преимущество данной схемы благодаря способу усиления сигнала. Усиление пропорционально увеличивает ОСС.

Интегральные инструментальные усилители особенно хороши в условиях согласования отношения сопротивлений и согласования температурных коэффициентов резисторов, определяющих коэффициент передачи. Тонкопленочные резисторы, формируемые на кремнии, имеют начальный разброс ±20%, после лазерной подгонки разброс уменьшается до 0.01% (100 ppm). К тому же относительный температурный коэффициент тонкопленочных резисторов весьма мал, менее 3 ppm/°С (0.0003%/°С).

При использовании биполярного питания VREF обычно подключают прямо на «землю». При однополярном питании VREF подключают к малоимпедансному источнику напряжения, равному половине питания. Усиление до узла «А» равно R1/R2, а от «А» до выхода — R2’/R1’. Предполагая точное согласование резисторов, коэффициент передачи от VREF до выхода составит единицу. Отметим, что точка подключения VREF должна иметь очень низкий импеданс, иначе ОСС ухудшится.

Главный недостаток данной схемы состоит в том, что диапазон входных синфазных напряжений должен быть согласован с усилением. Усилитель А1 должен усилить сигнал V1 в (1+R2/R1) раз. Если R1 >> R2 (при малом усилении – Рис.3.27), А1 будет насыщен, и если синфазный сигнал очень велик, то он не оставит места для нужного дифференциального сигнала. Для высокого усиления (R1 << R2) существует больше места в узле «А», что допускает большую величину входного синфазного напряжения.

ОСС по переменному току данной конфигурации обычно хуже, поскольку сигнал от V1 до VOUT приобретает дополнительный фазовый сдвиг из-за А1. К тому же оба усилителя работают с разными замкнутыми коэффициентами передачи (следовательно, и с различными полосами). Как показано на рисунке, добавление малого подстроечного конденсатора «С» несколько улучшает ОСС по переменному току.

На Рис.3.28 показана схема с низким усилением (G = 2), однополярным питанием и без RG. Синфазный и дифференциальный входные сигналы должны быть ограничены до величин, не насыщающих А1 или А2. В приведенном примере операционные усилители остаются линейными в пределах 0.1 В до шин питания, а нижний и верхний пределы обозначены, соответственно, VOH и VOL. Используя равенство, рассчитаем диапазон для V1

от 1.3 В до 2.4 В без насыщения А1. (VREF подключен к среднему потенциалу между VOH и VOL — плюс 2.5 В).

V2
		VOH=4.9В
V1	VOH=4.9В	+ VOL=0.1В	VOUT
+	VOL=0.1В	A2
		–
	A1
–	R1
	10КΩ

	R1, 10КΩ	A
		R2
	R2, 10КΩ	10КΩ
VREF	2.5 В

Рис.3.28. Ограничения при однополярном питании: VS = +5В, G = 2.

©АВТЭКС Санкт-Петербург (812) 567-7202, http://www.autexspb.da.ru, E-mail: [email protected] Автор перевода: Горшков Б.Л.

ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ УСИЛИТЕЛИ в устройствах на микросхемах

Классический дифференциальный усилитель отличается довольно низким входным сопротивлением, что является мало устранимым недостатком. Заметно повысить входное сопротивление по обоим входам позволяет усовершенствованная схема дифференциального усилителя, называемого инструментальным.

Повысить низкое входное сопротивление обычного дифференциального усилителя, рис. 8.1, можно за счет использования его модификации — инструментального усилителя, схема которого приведена на рис. 9.1 [9.1,9.2]. Особенностью усилителя является возможность варьирования коэффициента передачи регулировкой одного лишь сопротивления — резистора R1. При условии R2/R3=R5/R4 выходное напряжение можно определить из выражения:

При условии R2=R3=R4=R5

Рис. 9.4. Схема инструментального дифференциального усилителя на трех ОУ

Рис. 9.3. Частотная зависимость коэффициента передачи инструментального дифференциального усилителя при варьировании номинала резистора Rl. R2=R4=100 кОм. R3=R5= 70 кОм. DA 7, DA2 UA741C. U_ex2=0

Зависимость коэффициента передачи такого усилителя от номинала резистора R1 и частоты при U_Bx2 = 0 показана на рис. 9.2 и рис. 9.3. Следует заметить, что при R1->O приведенные выше выражения теряют смысл. При Rl->oo

Дальнейшим развитием темы дифференциальных усилителей является инструментальный дифференциальный усилитель на трех однотипных ОУ [9.1], рис. 9.4. Это устройство обеспечивает более высокий коэффициент подавления синфазного входного сигнала. При выполнении соотношения R7/R5=R6/R4 выходное напряжение определяется как:

При условии ,

рис. 9.5. При условии Rl-Я) или Rl->°o также справедливы приведенные ранее выводы.

Практическая схема инструментального усилителя на основе микросхемы SSM2141 показана на рис. 9.6.

Для использования в дифференциальных усилителях разработаны специализированные прецизионные ОУ, например, МАХ478_У МАХ479, рис. 9.7.

Рис. 9.6. Схема инструментального усилителя на основе микросхемы SSM2141

Рис. 9.7. Схема строения и цоколевка микросхем МАХ478, МАХ479, предназначенных для сборки дифференциальных усилителей

Рис. 9.5. Частотная зависимость коэффициента передачи инструментального дифференциального усилителя на трех ОУ при варьировании номинала резистора R1. R2=R3=R4=R5=R6=R7= 10 кОм. DA1—DA3 UA741C. 1/^=0

Рис. 9.8. Схема дифференциального усилителя на микросхеме МАХ478

Рис. 9.9. Схема инструментального усилителя на микросхеме МАХ479 с коэффициентом передачи 7 00

Рис. 9.10. Схема строения и цоколевка микросхем дифференциальных усилителей МАХ4 744—МАХ4146

Типовая схема включения микросхемы МАХ478 приведена на рис. 9.8. Коэффициент передачи такого усилителя определяетсяиз выражения

Инструментальный усилитель на микросхеме МАХ479, рис. 9.9, при R2=R3, R4=R5, R6=R7 имеет коэффициент передачи

и для выбранных

номиналов элементов равен 100.

Примеры реализации готовых для практического использования дифференциальных усилителей в виде специализированных микросхем выборочно приведены ниже (микросхемы МАХ4144— МАХ4146, МАХ4149, АМР02, INA111, ΙΝΑ114, ΙΝΑ118, INA122, INA125, INA126, INA2126, AD623, AD625, AD830, LT1167, CLC408, CLC436 и др.), рис. 9.10—9.12.

Шустов М. А., Схемотехника. 500 устройств на аналоговых микросхемах. — СПб.: Наука и Техника, 2013. —352 с.

Дифференциальный усилитель на ОУ: принцип работы, схема

В данной статье мы подробно поговорим про дифференциальный усилитель, опишем принцип его работы, а так же разберем дифференциальное уравнение усилителя и инструментальный усилитель.

Описание и принцип работы

До сих пор мы использовали только один из входов операционного усилителя для подключения к усилителю, используя либо «инвертирующий», либо «неинвертирующий» входной разъем для усиления одного входного сигнала, а другой вход был подключен к земле.

Но так как стандартный операционный усилитель имеет два входа, инвертирующий и неинвертирующий, мы также можем одновременно подключать сигналы к обоим этим входам, создавая еще один общий тип схемы операционного усилителя, называемый дифференциальным усилителем.

По сути, как мы видели в первом уроке об операционных усилителях, все операционные усилители являются «дифференциальными усилителями» из-за их входной конфигурации. Но при подключении одного сигнала напряжения к одной входной клемме и другого сигнала напряжения к другой входной клемме результирующее выходное напряжение будет пропорционально «разности» между двумя сигналами входного напряжения V ₁ и V ₂ .

Затем дифференциальные усилители усиливают разницу между двумя напряжениями, делая схему операционного усилителя этого типа вычитателем, в отличие от суммирующего усилителя, который складывает или суммирует входные напряжения. Этот тип схемы операционного усилителя обычно известен как конфигурация дифференциального усилителя и показан ниже:

Подключая каждый вход по очереди к заземлению 0 В, мы можем использовать суперпозицию для определения выходного напряжения Vout . Тогда передаточная функция для схемы дифференциального усилителя имеет вид:

Когда резисторы R1 = R2 и R3 = R4, вышеуказанная передаточная функция для дифференциального усилителя может быть упрощена до следующего выражения:

Дифференциальное уравнение усилителя

Если все резисторы имеют одинаковое омическое значение, а именно: R1 = R2 = R3 = R4, то схема станет дифференциальным усилителем с единичным коэффициентом усиления, а коэффициент усиления по напряжению усилителя будет равен единице. Тогда выходным выражением будет просто Vout = V ₂  — V ₁ .

Также обратите внимание, что если вход V1 выше, чем вход V2, сумма выходного напряжения будет отрицательной, а если V2 выше, чем V1 , сумма выходного напряжения будет положительной.

Схема дифференциального усилителя является очень полезной схемой операционного усилителя, и, добавляя дополнительные резисторы параллельно с входными резисторами R1 и R3 , можно получить результирующую схему для « сложения » или «вычитания» напряжения, подаваемого на их соответствующие входы. Один из наиболее распространенных способов сделать это — подключить «резистивный мост», обычно называемый мостом Уитстона, к входу усилителя, как показано ниже.

Дифференциальный усилитель моста Уитстона

Стандартная схема дифференциального усилителя теперь становится компаратором дифференциального напряжения, «сравнивая» одно входное напряжение с другим. Так, например, путем подключения одного входа к опорному фиксированного напряжения, установленным на одной ноге резистивного сети моста, а другой либо «термистор» или «свето — зависимый резистор» схема усилителя может быть использована для обнаружения низкого или высокого уровня температуры или света, поскольку выходное напряжение становится линейной функцией изменений в активном участке резистивного моста, и это продемонстрировано ниже.

Дифференциальный усилитель с активированным светом

Здесь схема действует как выключатель, активирующий свет, который переключает выходное реле в положение «ВКЛ» или «ВЫКЛ», когда уровень освещенности, обнаруживаемый резистором LDR, превышает или падает ниже некоторого предварительно установленного значения. Фиксированное напряжение подается на входную клемму не-инвертирующим ОУ через R1 — R2 делителя напряжения сети.

Значение напряжения на V ₁ устанавливает точку срабатывания операционного усилителя с помощью потенциометра обратной связи, VR2 используется для установки гистерезиса переключения. В этом разница между уровнем освещенности для «ВКЛ» и уровнем освещенности для «ВЫКЛ».

Вторая часть дифференциального усилителя состоит из стандартного светозависимого резистора, также известного как LDR, фоторезистивный датчик, который изменяет свое значение сопротивления (отсюда и название) в зависимости от количества света на его элементе, поскольку их значение сопротивления является функцией освещения.

LDR может представлять собой любой стандартный тип фотопроводящего элемента из сульфида кадмия (CdS), такого как обычный NORP12, который имеет диапазон сопротивления от примерно 500 Ом на солнечном свете до примерно 20 кОм или более в темноте.

Фотопроводящий элемент NORP12 имеет спектральный отклик, аналогичный человеческому глазу, что делает его идеальным для использования в системах управления освещением. Сопротивление фотоэлемента пропорционально уровню света и падает с увеличением интенсивности света, поэтому уровень напряжения на V2 также будет меняться выше или ниже точки переключения, которая может определяться положением VR1 .

Затем, регулируя отключение или регулировку уровня освещенности с помощью потенциометра VR1 и гистерезис переключения с помощью потенциометра, VR2 можно сделать прецизионный светочувствительный переключатель. В зависимости от применения, выход операционного усилителя может напрямую переключать нагрузку или использовать транзисторный переключатель для управления реле или самими лампами.

Также возможно определить температуру, используя этот тип простой конфигурации схемы, заменив резистор, зависимый от света, термистором. Меняя положения VR1 и LDR , можно использовать схему для обнаружения света или темноты, а также тепла или холода с использованием термистора.

Одним из основных ограничений этого типа конструкции усилителя является то, что его входные сопротивления ниже, чем у других конфигураций операционных усилителей, например, неинвертирующего (одностороннего входа) усилителя.

Каждый источник входного напряжения должен пропустить ток через входное сопротивление, которое имеет меньшее полное сопротивление, чем сопротивление одного только входного ОУ. Это может быть хорошо для источника с низким импедансом, такого как мостовая схема выше, но не очень хорошо для источника с высоким импедансом.

Одним из способов решения этой проблемы является добавление усилителя буфера усиления Unity, такого как повторитель напряжения, который мы видели в предыдущем уроке, к каждому входному резистору. Затем это дает нам схему дифференциального усилителя с очень высоким входным сопротивлением и низким выходным сопротивлением, поскольку она состоит из двух неинвертирующих буферов и одного дифференциального усилителя. Это тогда формирует основу для большинства «инструментальных усилителей».

Инструментальный усилитель

Инструментальные усилители (in-amps) — это дифференциальные усилители с очень высоким коэффициентом усиления, которые имеют высокий входной импеданс и однополярный выход. Приборные усилители в основном используются для усиления очень малых дифференциальных сигналов от тензодатчиков, термопар или датчиков тока в системах управления двигателем.

В отличие от стандартных операционных усилителей, в которых их усиление с обратной связью определяется внешней резистивной обратной связью, подключенной между их выходной клеммой и одной входной клеммой, положительной или отрицательной, «инструментальные усилители» имеют внутренний резистор обратной связи, который эффективно изолирован от своих входных клемм, как входной сигнал подается на два дифференциальных входа, V1 и V2 .

Инструментальный усилитель также имеет очень хороший коэффициент подавления синфазного сигнала, CMRR (нулевой выход, когда V ₁ = V ₂ ), значительно превышающий 100 дБ при постоянном токе. Типичный пример инструментального усилителя с тремя операционными усилителями с высоким входным сопротивлением (  Zin  ) приведен ниже:

Два неинвертирующих усилителя образуют дифференциальный входной каскад, выступающий в качестве буферных усилителей с усилением 1 + 2R2 / R1 для дифференциальных входных сигналов и единичным усилением для синфазных входных сигналов. Поскольку усилители А1 и А2 являются усилителями отрицательной обратной связи с обратной связью, можно ожидать, что напряжение на Va будет равно входному напряжению V1 . Аналогично, напряжение на Vb должно быть равно значению на V2 .

Поскольку операционные усилители не принимают ток на своих входных клеммах (виртуальное заземление), один и тот же ток должен протекать через сеть трех резисторов R2 , R1 и R2, подключенных к выходам операционного усилителя. Это означает, что напряжение на верхнем конце R1 будет равно V1, а напряжение на нижнем конце R1 будет равно V2 .

Это приводит к падению напряжения на резисторе R1, которое равно разности напряжений между входами V1 и V2 , дифференциальному входному напряжению, потому что напряжение на суммирующем соединении каждого усилителя Va и Vb равно напряжению, приложенному к его положительным входам.

Однако, если синфазное напряжение подается на входы усилителей, напряжения на каждой стороне R1 будут равны, и через этот резистор ток не будет течь. Поскольку ток не протекает через R1 (и, следовательно, через оба резистора R2 , усилители А1 и А2 будут работать как последователи с единичным усилением (буферы). Поскольку входное напряжение на выходах усилителей А1 и А2 по- разному проявляется в сети с тремя резисторами дифференциальное усиление схемы можно изменить, просто изменив значение R1 .

Выходное напряжение дифференциального операционного усилителя A3, действующего как вычитатель, представляет собой просто разницу между его двумя входами ( V2 — V1 ) и усиливается коэффициентом усиления A3, который может равняться единице (при условии, что R3 = R4 ). Тогда у нас есть общее выражение для общего усиления по напряжению схемы измерительного усилителя.

Уравнение усилителя приборов

В следующем уроке об операционных усилителях мы рассмотрим влияние выходного напряжения Vout при замене резистора обратной связи на частотно-зависимое реактивное сопротивление в виде емкости. Добавление этой емкости обратной связи создает нелинейную схему операционного усилителя, называемую интегрирующим усилителем.