Блог

Основной реализацией операционных усилителей является инструментальный усилитель, тип дифференциального усилителя с входным буферным усилителем.

В этой статье мы поговорим о нескольких важных основах и применениях инструментальных усилителей, а также о схеме и работе инструментального усилителя с тремя операционными усилителями.

Многие промышленные и потребительские сферы требуют измерения и контроля физических условий. Например, измерение температуры и влажности внутри молочного завода для точного поддержания качества продукции или точный контроль температуры в печи для производства пластика определенного сорта и т. д.

Эти изменения физических условий должны быть преобразованы в электрические величины с помощью преобразователей, а затем усилены. Такие усилители, которые используются для усиления сигналов для измерения физических величин называются инструментальными усилителями.

Входным сигналом инструментального усилителя является выходной сигнал преобразователя. Преобразователь — это устройство, которое преобразует один вид энергии в другой. Большинство выходных сигналов преобразователя представляют собой сигналы очень низкого уровня.

Следовательно, перед следующим этапом необходимо усилить уровень сигнала, отсеяв шумы и помехи. Обычные усилители не подходят для таких операций. Для подавления шума усилители должны иметь высокий коэффициент подавления синфазного сигнала.

Специальный усилитель, который используется для такого низкоуровневого усиления с высоким CMRR и высоким входным импедансом, чтобы избежать нагрузки, представляет собой инструментальный усилитель.

Инструментальный усилитель предназначен для точного усиления сигнала низкого уровня, где требуется высокое входное сопротивление, низкий уровень шума и точное усиление с обратной связью. Кроме того, для хорошей производительности желательны низкое энергопотребление, высокая скорость нарастания и высокий коэффициент подавления синфазного сигнала.

Требования к инструментальному усилителю

Инструментальный усилитель обычно используется для усиления сигналов низкого уровня, подавляя шумовые и помеховые сигналы. Таким образом, инструментальный усилитель должен соответствовать следующим требованиям:

• Конечное, точное и стабильное усиление: поскольку инструментальные усилители должны усиливать сигналы очень низкого уровня от преобразователя, основным требованием является высокое и конечное усиление. Усиление также должно быть точным, а усиление с обратной связью должно быть стабильным.
• Упрощенная регулировка усиления: помимо конечного и стабильного усиления, также необходимо изменение коэффициента усиления в заданном диапазоне значений. Регулировка усиления должна быть простой и точной.
• Высокий входной импеданс: чтобы избежать загрузки источников входного сигнала, входной импеданс инструментального усилителя должен быть очень высоким (в идеале бесконечным).
• Низкий выходной импеданс: выходной импеданс хорошего инструментального усилителя должен быть очень низким (в идеале нулевым), чтобы избежать эффекта нагрузки на непосредственно следующем каскаде.
• Высокий CMRR: выход датчика обычно содержит синфазные сигналы при передаче по длинным проводам. Хороший инструментальный усилитель должен усиливать только дифференциальный вход, полностью отвергая синфазные входы. Таким образом, CMRR инструментального усилителя должен быть идеально бесконечным.
• Высокая скорость нарастания: скорость нарастания инструментального усилителя должна быть как можно выше, чтобы обеспечить максимальный неискаженный размах выходного напряжения.

Инструментальный усилитель с тремя операционными усилителями

Наиболее часто используемые инструментальные усилители состоят из трех операционных усилителей. В этой схеме к каждому входу дифференциального усилителя подключен неинвертирующий усилитель.

Этот инструментальный усилитель обеспечивает высокое входное сопротивление для точного измерения входных данных от преобразователей. Принципиальная схема инструментального усилителя показана ниже:

Операционные усилители 1 и 2 являются неинвертирующими усилителями и вместе образуют входной каскад инструментального усилителя. Операционный усилитель 3 представляет собой дифференциальный усилитель, образующий выходной каскад инструментального усилителя.

Работа инструментального усилителя

Выходной каскад инструментального усилителя представляет собой разностный усилитель, выход которого V_out представляет собой усиленную разность входных сигналов, подаваемых на его входные клеммы. Если выходы операционного усилителя 1 и операционного усилителя 2 равны V_o1 и V_o2 соответственно, то выход дифференциального усилителя определяется выражением:

V_out = (R₃/R₂)(V_o1-V_o2)

Выражения для Vo1 и Vo2 можно найти через входные напряжения и сопротивления. Рассмотрим входной каскад инструментального усилителя, как показано на схеме ниже:

Потенциал в узле А представляет собой входное напряжение V₁ . Следовательно, потенциал в узле B также равен V₁ , исходя из концепции виртуального короткого замыкания. Таким образом, потенциал в узле G также равен V₁ .

Потенциал в узле D представляет собой входное напряжение V₂ . Следовательно, потенциал в узле C также равен V₂ от виртуального короткого замыкания. Таким образом, потенциал в узле H также равен V₂ .

В идеале ток операционных усилителей входного каскада равен нулю. Поэтому ток I через резисторы R₁ , R _{коэффициент усиления} и R₁ остается одинаковым.

Применяя закон Ома между узлами E и F,

I = (V _o1 -V _o2 )/(R ₁ +R _{усиление} +R ₁ ) ———————— 1

I = (V _o1 -V _o2 )/(2R ₁ +R _{усиления} )

Поскольку на вход операционных усилителей 1 и 2 ток не течет, то ток I между узлами G и H можно определить как:

I = (V _G -V _H )/R _{усиление} = (V ₁ -V ₂ )/R _{усиление}  ————————- 2

Приравнивая уравнения 1 и 2:

(V _o1 -V _o2 )/(2R ₁ +R _{усиление} ) = (V 1 -V ₂ )/R _{усиление} 

(V _o1 -V _o2 ) = (2R ₁ + R _{усиление} )(V ₁ -V ₂ )/R _{усиление}  —————— 3

Выход дифференциального усилителя задается как:

V_out = (R₃/R₂) (V_o1-V_o2)

Следовательно, (V_o1 – V_o2) =  (R₂/R₃)V_out

Подставив значение (V _o1 – V _o2 ) в уравнение 3, получим:

(R ₂ /R ₃ )V _out  = (2R ₁ +R )(V1-V _{2 ) / усиление} R

т.е. V _out  = (R ₃ /R 2 ) {(2R ₁ + _{усиление} R )/ _{усиление} R } (V1-V ₂ )

Приведенное выше уравнение дает выходное напряжение инструментального усилителя. Общий коэффициент усиления усилителя определяется выражением (R ₃ /R 2){(2R ₁ +R _{усиления} )/R _{усиления} }.

Общий коэффициент усиления по напряжению инструментального усилителя можно контролировать, регулируя значение резистора R _{усиления} . Ослабление синфазного сигнала для инструментального усилителя обеспечивается дифференциальным усилителем.

Преимущества инструментального усилителя с тремя операционными усилителями

• Коэффициент усиления схемы инструментального усилителя с тремя операционными усилителями можно легко изменять и контролировать, регулируя значение коэффициента усиления R без изменения структуры схемы.
• Коэффициент усиления усилителя зависит только от используемых внешних резисторов. Следовательно, легко точно установить коэффициент усиления, тщательно выбирая номиналы резисторов.
• Входное сопротивление инструментального усилителя зависит от цепей неинвертирующего усилителя во входном каскаде. Входное сопротивление неинвертирующего усилителя очень велико.
• Выходное сопротивление инструментального усилителя равно выходному сопротивлению дифференциального усилителя, которое очень мало.
• CMRR операционного усилителя 3 очень высок, и почти весь синфазный сигнал будет отклонен.

Инструментальный усилитель мостового преобразователя

Мост резистивного преобразователя представляет собой сеть резисторов, сопротивление которых изменяется в зависимости от изменения некоторых физических условий. Например, термисторы изменяют свое сопротивление в зависимости от температуры, а светозависимые резисторы изменяют свое сопротивление в зависимости от интенсивности света.

Сделав такой мост частью цепи, можно получить электрический сигнал, пропорциональный изменению измеряемой физической величины.

Такой электрический сигнал можно усилить и использовать для контроля и управления физическим процессом. Инструментальный усилитель может быть сконструирован с мостом преобразователя, подключенным к одной из его входных клемм, как показано на схеме ниже:

Пусть сопротивление преобразователя в резистивном мосту равно R_T , а изменение его сопротивления равно ΔR. Эффективное сопротивление преобразователя составляет R_T ±ΔR. На резистивный мост подается постоянное напряжение V_dc .

При уравновешенности моста, т.е. при некотором эталонном условии измеряемой физической величины, получаем:

V_a = V_b

R_A(Vdc)/(R_A+R_T) = R_B(Vdc)/(R_B+R_C)

В этом случае дифференциальный вход инструментального усилителя будет:

V_Дифф = V_b – V_a = 0

Таким образом, выход усилителя равен нулю. Следовательно, устройство отображения, подключенное к выходу, отображает эталонное значение измеряемой физической величины.

Эталонное условие обычно выбирается разработчиком и зависит от характеристик преобразователя, типа измеряемой физической величины и типа применения.

При изменении измеряемой физической величины напряжение V_a уже не будет равно V_b . Это связано с тем, что сопротивление преобразователя изменяется от R_T до (R _T ± ΔR).

Это создает дифференциальный вход для инструментального усилителя, и выход усилителя больше не будет равен нулю.

Сопротивления R_B и R_C постоянны, и, следовательно, напряжение V_B остается таким же, как и раньше, т.е.:

V_b = R_B(Vdc)/(R_B+R_C)

Но напряжение V_a изменяется из-за изменения сопротивления преобразователя и теперь определяется как:

Va = R_A(Vdc)/(R_A+R_T+ ΔR)

Дифференциальное напряжение V_Дифф равно:

V_Дифф = V_b – V_a

V_Дифф = {R_B(Vdc)/(R_B+R_C)} – {R_A(Vdc)/(R_A+R_T+ ΔR)}

Если все сопротивления в цепи выбраны равными, т. е. R_A = R_B = R_C = R_T = R

V_Дифф = {R(Vdc)/(2R)} – {R(Vdc)/(2R+ ΔR)}

V_Дифф = {RVdc[2R+ΔR] – R.Vdc.2R}/ 2R(2R+ΔR)

V_Дифф = R.Vdc[2R+ΔR-2R]/{2R(2R+ΔR)}

V_Дифф = ΔR(Vdc)/{2(2R+ΔR)}

Если значение V_Дифф положительное, это указывает, что V_b больше, чем V_a .

Выход инструментального усилителя задается как:

V_O = (R₃/R₂)V_d

V_o = (R₃/R₂) [ΔR(Vdc)/{2(2R+ΔR)}]

Поскольку изменение сопротивления ΔR << 2R, V_o можно записать как:

V_o = (R₃/R₂)[ΔR/4R](Vdc)

Из приведенного выше уравнения можно отметить, что выход зависит от изменения сопротивления ΔR. Дисплей можно откалибровать в единицах измерения измеряемой физической величины.

Применение инструментального усилителя

Инструментальный усилитель вместе с мостом преобразователя можно использовать в самых разных областях, например, в системах сбора данных.

На входном каскаде находится преобразовательное устройство, преобразующее изменение физической величины в электрический сигнал.

Электрический сигнал подается на инструментальный усилитель. Затем усиленный сигнал подается на устройство отображения, которое калибруется для обнаружения изменения измеряемой величины.

Регулятор температуры

Простая система регулятора температуры может быть построена с использованием термистора в качестве преобразователя в резистивном мосту, как показано на схеме выше.

Резистивный мост уравновешивается для некоторой эталонной температуры. При любом изменении этой эталонной температуры инструментальный усилитель вырабатывает выходное напряжение, которое приводит в действие реле, которое, в свою очередь, включает и выключает нагревательный элемент, тем самым контролируя температуру.

Индикатор температуры

Схема, показанная для регулятора температуры, также может использоваться в качестве индикатора температуры. Резистивный мост поддерживается сбалансированным для конкретной эталонной температуры, когда V_o = 0 В.

Измеритель температуры калибруется по эталонной температуре, соответствующей этому эталонному условию.

При изменении температуры изменяется и выходная мощность усилителя. Коэффициент усиления усилителя может быть соответствующим образом установлен для индикации желаемого диапазона температур.

Измеритель интенсивности света

Эту же схему можно использовать для обнаружения изменений интенсивности света, заменив термистор светозависимым резистором (LDR). Мост устанавливается в сбалансированное состояние в темноте.

Когда свет падает на LDR, его сопротивление изменяется и разбалансировывает мост. Это приводит к тому, что усилитель производит конечный выходной сигнал, который, в свою очередь, приводит в действие счетчик.

В следующей статье мы поговорим об операционном усилителе как об интеграторе.

С Уважением, МониторБанк