Инструментальные усилители • ТЕХНИЧЕСКАЯ ШКОЛА

Термин «инструментальные» относится к усилителям, которые обладают рядом ярко выраженных специфических свойств. К таким свойствам следует отнести:

Способность работать со значительными уровнями синфазного напряжения.
Наличие высоких и сверхвысоких значений входного сопротивления.
Способность работать с датчиками, имеющими ярко выраженный емкостной характер выходного сопротивления.
Автоматическая коррекция смещения нуля.
Способность работы с удаленными датчиками за счет компенсации паразитных параметров линии передачи.

Инструментальный усилитель для работы с большим синфазным входным сигналом

При необходимости выделить дифференциальный сигнал на базе доминирующего синфазного напряжения, существенно превышающего допустимое входное напряжение операционного усилителя (ОУ), может быть использована двухкаскадная схема усилителя, приведенная на рисунке.

Схемы на ОУ DA1 и DA2 – обычные инвертирующие усилители с коэффициентами передачи по напряжению меньше единицы, что позволяет согласовать диапазон изменения синфазного входного сигнала с допустимым входным напряжением ОУ. Цепочки встречно-параллельно включенных диодов на входе защищают ОУ в случае, если входное напряжение даже превысит значения расчетного диапазона изменения.

По отношению к точкам А и точке В схема на ОУ DA3 – алгебраический сумматор.

Запишем уравнения, описывающие работу данной схемы:

$U_{DA3}^+=U_A\cdot \displaystyle\frac{R_6}{R_5+R_6}$ ,

$U_{DA3}^-=U_B\cdot \displaystyle\frac{R_8}{R_7+R_8}+U_{ВЫХ}\cdot \displaystyle\frac{R_7}{R_7+R_8}$ ,

$U_A\cdot \displaystyle\frac{R_6}{R_5+R_6}=U_B\cdot \displaystyle\frac{R_8}{R_7+R_8}+U_{ВЫХ}\cdot \displaystyle\frac{R_7}{R_7+R_8}$ ,

$U_{ВЫХ}=U_A\cdot \displaystyle\frac{R_6}{R_5+R_6}\cdot \displaystyle\frac{R_7+R_8}{R_7}-U_B\cdot \displaystyle\frac{R_8}{R_7}$ ,

$U_A=-U_1\cdot \displaystyle\frac{R_3}{R_1}$ ,

$U_B=-U_2\cdot \displaystyle\frac{R_4}{R_2}$ .

В линейном режиме работы инвертирующего усилителя напряжение на его инвертирующем входе (ОУ DA1, DA2) близки к нулю, поэтому защитные диоды не влияют на характеристики работы инвертирующего усилителя.

$U_{ВЫХ}=U_2\cdot \displaystyle\frac{R_4\cdot R_8}{R_2\cdot R_7}-U_1\cdot \displaystyle\frac{R_3\cdot R_6}{R_1\cdot R_7}\cdot \displaystyle\frac{R_7+R_8}{R_5+R_6}$ .

На схеме вход U1 – инвертирующий, вход U2 – не инвертирующий.

Если R1>R3 и R2>R4, то коэффициент передачи первых каскадов на DA1, DA2 меньше единицы.

Усилители работают в линейном режиме при следующих условиях:

$U_{ВЫХ}^{max-}\le U_A\le U_{ВЫХ}^{max+}$ для DA1
$U_{ВЫХ}^{max-}\le U_B\le U_{ВЫХ}^{max+}$ для DA2
$U_{ВЫХ}^{max-}\le U_{ВЫХ}\le U_{ВЫХ}^{max+}$ для DA3

Для расчета номиналов резисторов нужно задаться амплитудой допустимого синфазного входного сигнала V: Тогда, учитывая ограниченность амплитуды выходного сигнала ОУ U_вых^max

$U_A=-U_1\cdot \displaystyle\frac{R_3}{R_1}\Rightarrow \displaystyle\frac{R_3}{R_1}\lt\displaystyle\frac{U_{ВЫХ}^{max}}{V}.$

$R_{ВХ}=\displaystyle\frac{U_{ВХ}}{I_{ВХ}}=\displaystyle\frac{U_{ВХ}}{I_{R_1}}=\displaystyle\frac{U_{ВХ}}{U_{ВХ}/R_1}=R_1$ .

Если $\displaystyle\frac{R_4}{R_2}=0.01, то R_8=100\cdot R_7$ , если $\displaystyle\frac{R_3}{R_1}=0.01, то R_6=100\cdot R_5$ , тогда: $U_{}=0.01\cdot 100\cdot U_2-0.01\cdot 100\cdot U_1=U_2-U_1$ .

Если входной синфазный сигнал превысит допустимый расчетный уровень, то в данной схеме это не приведет к выходу из строя усилителей DA1, DA2, т.к. избыток токов входных резисторов R1, R2 замкнется через пару встречновключенных диодов VD1, VD2 (VD3, VD4) при любой полярности входного сигнала. Межвходовое напряжение не превысит при этом напряжения на прямо смещенном диоде, что защищает входы ОУ.

Работа схемы может быть проиллюстрирована моделированием в LTspice.

Инструментальный усилитель для работы с большими синфазными входными сигналами, модель LTspice

Инструментальный усилитель с высоким входным сопротивлением

Схема инструментального усилителя реализующего высокие и сверхвысокие значения входного сопротивления представлена на рисунке.

Усилитель двухкаскадный. Второй каскад представляет собой алгебраический сумматор для выходных сигналов U_A и U_B входного парафазного каскада. Запишем уравнения для данной схемы:

$U_{ВЫХ}=U_A\cdot \displaystyle\frac{R_4}{R_3+R_4}\cdot \displaystyle\frac{R_5+R_6}{R_5}-U_B\cdot \displaystyle\frac{R_6}{R_5}$ .

ОУ DA1 и DA2 работают в линейном режиме.

$U_{DA1}^-=U_A\cdot\displaystyle\frac{R_2+R^*}{R_1+R_2+R^*}+U_B\cdot\displaystyle\frac{R_1}{R_1+R_2+R^*}=U_1$ ,

$U_{DA2}^-=U_A\cdot\displaystyle\frac{R_2}{R_1+R_2+R^*}+U_B\cdot\displaystyle\frac{R_1+R^*}{R_1+R_2+R^*}=U_2$ .

Пусть R3=R4=R5=R6, тогда:

$U_{ВЫХ}=U_A-U_B$ .

$U_A\cdot \displaystyle\frac{R^*}{R_1+R_2+R^*}-U_B\cdot \displaystyle\frac{R^*}{R_1+R_2+R^*}=U_1-U_2$ ,

$U_A-U_B=(U_1-U_2)\cdot \displaystyle\frac{R_1+R_2+R^*}{R^*}$ ,

$U_{ВЫХ}=(U_1-U_2)\cdot \displaystyle\frac{R_1+R_2+R^*}{R^*}$ .

Таким образом, получили усилитель с дифференциальным входом (вход U1 инвертирующий, а вход U2 неинвертирующий), его коэффициент передачи определяется одним резистором R^*.

Прецизионные свойства рассмотренной схемы обусловлены тем, что при интегральном исполнении усилителей их напряжения приведенного ко входу дрейфа оказываются близкими.

Схема использует разностный принцип формирования входного сигнала, следовательно, результирующий дрейф, приведенный ко входу, уменьшится по сравнению с дрейфом собственно ОУ, по крайней мере, на порядок.

Работа схемы может быть проиллюстрирована моделированием в LTspice.

Инструментальный усилитель с высоким входным сопротивлением, модель LTspice

Для уменьшения влияния входных соединительных кабелей усилителя и уменьшения входной емкости применяется метод охранных колец, суть которого состоит в том, что потенциал охранных колец делают равным потенциалу жилы кабеля линии передачи (потенциалу входа), поэтому токи утечки между сигнальным проводом и эквипотенциальной оплеткой кабеля отсутствуют.

Наличие токов утечки между оплетками кабелей и землей схемы через соответствующие изоляторы не влияет на входные характеристики усилителя, поскольку эти токи формируются не источниками входных сигналов, а выходами защитных усилителей DA4, DA5.

Инструментальный усилитель для источника сигнала с емкостным выходным сопротивлением (Усилитель заряда)

Усилитель заряда формирует выходное напряжение, пропорциональное электрическому заряду, перемещаемому через вход усилителя и предназначен для усиления сигнала датчиков, имеющих ярко выраженное емкостное выходное сопротивление.

Рассмотрим простейшую схему усилителя заряда:

Структурно схема эквивалентна инвертирующему усилителю на ОУ, с учетом того, что резисторы заменены конденсаторами.

ОУ DA работает в линейном режиме благодаря отрицательной обратной связи (ООС).

Запишем уравнения первого закона Кирхгофа для узла инвертирующего входа ОУ в данной схеме:

$I_{Сг}=\displaystyle\frac{E_Г}{1/(jwCг)}$ .

Ток I_СГ будет компенсироваться током I_ОС

$I_{Сос}=\displaystyle\frac{-U_{ВЫХ}}{1/(jwCос)}$ .

$I_{Сг}=I_{Сос}\Rightarrow \displaystyle\frac{E_Г}{1/(jwCг)}=\displaystyle\frac{-U_{ВЫХ}}{1/(jwCос)}$ .

откуда: $K_U=\displaystyle\frac{U_{ВЫХ}}{E_Г}=-\displaystyle\frac{C_Г}{С_{ОС}}$ .

Таким образом, коэффициент передачи определяется отношением емкостей конденсаторов.

Но такая схема не может стабильно работать, т.к. отсутствует ООС по постоянному току, и нет цепи протекания тока покоя инвертирующего входа дифференциального каскада. Необходимо доопределить путь протекания тока покоя дифференциального каскада:

Коэффициент передачи приведенной схемы определится аналогично:

$K=\displaystyle\frac{U}{E_Д}=-\displaystyle\frac{C_Д}{С_{ОС}}$ .

Сопротивление резистора R1 равно волновому сопротивлению кабеля, к которому подключен датчик, для устранения отражения.

Конденсатор C1>>Cос препятствует попаданию на вход постоянных составляющих сигнала..

Резистор R2 осуществляет ООС по постоянному току и обеспечивает путь протекания входного тока инвертирующего входа. При этом произведение R2∙Cос = τ определяет нижнюю граничную частоту усиления.

Цепь R3C2 отсекает выход ОУ от выхода схемы и не позволяет формировать постоянную составляющую в выходном сигнале. Как правило R3∙C2 ≥ τ, при этом для увеличения емкости в качестве С2 используется неполярный электролитический конденсатор.

Работа схемы может быть проиллюстрирована моделированием в LTspice.

Инструментальный усилитель для источника сигнала с емкостным выходным сопротивлением (Усилитель заряда), модель LTspice

Усилители с автоматической коррекцией нуля

Схема усилителя с автоматической коррекцией нуля приведена на рисунке.

Когда ключи замкнуты, то на обкладках конденсатора С1 формируется ненулевое выходное напряжение U_ВЫХ, соответствующее напряжению смещения нуля, приведенного ко входу (ОУ с единичной обратной связью и нулевым входным сигналом).

Номинал емкости конденсатора С1 достаточно большой, и когда ключи разомкнуты, для сигналов переменного тока имеем обычный инвертирующий усилитель, потенциал инвертирующего входа которого скорректирован на напряжение смещения нуля, приведенное ко входу, которое накоплено на конденсаторе.

Таким образом, принцип компенсации смещения нуля сводится к тому, что ключевой схемой усилитель периодически переводится в режим включения с единичной ОС и закороченным входом. На выходе усилителя при этом возникает напряжение смещения нуля, соответствующее данному режиму работы усилителя, которое запоминается на емкости. При размыкании ключей запомненное напряжение смещения автоматически подается на вход усилителя. Ключи S1 и S2 согласованы (коммутируются одновременно).

Работа схемы может быть проиллюстрирована моделированием в LTspice.

Инструментальный усилитель с автоматической коррекцией нуля, модель LTspice

Недостатком схемы является то, что при таком способе коррекции в течение длительности включенного состояния ключей сигнал на выходе усилителя пропадает. Для устранения этого эффекта схема дополняется устройством выборки хранения.

Схема, дополненная устройством выборки хранения, представлена на рисунке.

В положении ключей, показанном на рисунке

$K_U=1+\displaystyle\frac{R_1}{R_2}$ .

В противоположном положении ключей:

$U_{ВЫХ}=U_{C_1}$ ,

$U_{DA1}^+=U_{DA1}^-=0$ .

На выходе ОУ DA2 и соответственно DA3 формируется напряжение смещения нуля, оно запоминается через замкнутый ключ S3 на емкости С1.

Схема снабжена двумя устройствами выборки хранения (УВХ):

На емкости С1 — ОУ DA3 – ключ S3;
На емкости С2 — ОУ DA4 – ключ S3.

Принцип работы УВХ заключается в том, что при замкнутом ключе напряжение на запоминающей емкости повторяет напряжение на выходе ОУ DA2. При разомкнутых ключах напряжение на емкости остается неизменным в течение длительного времени ( к емкости подключено большое входное сопротивление ОУ DA3 с единичной ОС).

УВХ на ОУ DA4 сохраняет значение выходного напряжения на интервале коррекции напряжения смещения нуля. УВХ на ОУ DA3 сохраняет собственно напряжение смещения нуля. Ключи S1, S2 и S3 согласованны (коммутируются одновременно).

При данной структуре схема позволяет устранить ошибку от дисбаланса входных токов ОУ.

Существуют схемы коррекции напряжения смещения нуля без прерывания усиления входного сигнала, однако их сложность становится сравнимой со сложностью усилителей, построенных по структуре МДМ (модулятор-демодулятор).