Измерительный усилитель

Схема типичного измерительного усилителя из 3-х операционных усилителей

Схема типичного измерительного усилителя из 2-х операционных усилителей

Измери́тельный усили́тель, инструмента́льный усилитель, электрометри́ческий вычитатель — 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 кратковременная, так и долговременная.

Применяются в измерительной технике, обработке сигналов различных датчиков и др.

Описание электрической схемы

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 $R_{gain}$ неинвертирующих усилителях. Второй каскад — обычный дифференциальный инвертирующий усилитель с высоким подавлением синфазного сигнала.

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 $R_{\mathrm {gain} }$ — общий для обоих входных неинвертирующих усилителей, изменением величины его сопротивления изменяют коэффициент усиления инструментального усилителя.

Коэффициент усиления выходного дифференциального инвертирующего усилителя равен:

$K_{\mathrm {Ud} }={\frac {R_{3}}{R_{2}}},$

дифференциальный коэффициент усиления напряжения всей схемы:

$K_{U}=K_{\mathrm {Ud} }\cdot K_{\mathrm {Ub} }={\frac {V_{\mathrm {out} }}{V_{2}-V_{1}}}=\left(1+{2R_{1} \over R_{\mathrm {gain} }}\right){R_{3} \over R_{2}}.$

Вывод коэффициента усиления инструментального усилителя

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:

$Vi_{1}=V_{2}+\left(1+{R_{1} \over R_{\mathrm {gain} }}\right)\cdot \left(V_{1}-V_{2}\right),$

и на выходе второго операционного усилителя (слева снизу):

$Vi_{2}=V_{1}+\left(1+{R_{1} \over R_{\mathrm {gain} }}\right)\cdot \left(V_{2}-V_{1}\right).$

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 $R_{1}$ и $R_{\mathrm {gain} }$ образуют соответствующие делители напряжения.

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

$Vd_{p}=Vi_{2}\cdot {R_{3} \over {R_{2}+R_{3}}}.$

Напряжение на его инвертирующем входе также определяется делителем напряжения, выполненном на другой паре резисторов $R_{2}$ и $R_{3}$:

$Vd_{m}=V_{\mathrm {out} }-\left(V_{\mathrm {out} }-Vi_{1}\right)\cdot {R_{3} \over {R_{2}+R_{3}}}.$

Эти напряжения равны за счет действия обратной связи и собственного бесконечно большого коэффициента усиления операционного усилителя:

$Vi_{2}\cdot {R_{3} \over {R_{2}+R_{3}}}=V_{\mathrm {out} }-\left(V_{\mathrm {out} }-Vi_{1}\right)\cdot {R_{3} \over {R_{2}+R_{3}}},$

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:

$V_{\mathrm {out} }=\left(Vi_{2}-Vi_{1}\right)\cdot {R_{3} \over R_{2}}=$

$=\left(V_{1}+\left(1+{R_{1} \over R_{\mathrm {gain} }}\right)\cdot \left(V_{2}-V_{1}\right)-V_{2}-\left(1+{R_{1} \over R_{\mathrm {gain} }}\right)\cdot \left(V_{1}-V_{2}\right)\right)\cdot {R_{3} \over R_{2}}=$

$=\left(1+{2\cdot R_{1} \over R_{\mathrm {gain} }}\right)\cdot {R_{3} \over R_{2}}\cdot \left(V_{2}-V_{1}\right).$

Окончательно имеем:

$K_{U}=\left(1+{2\cdot R_{1} \over R_{\mathrm {gain} }}\right)\cdot {R_{3} \over R_{2}}$

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.

См. также

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