Измерительный усилитель

Схема типичного измерительного усилителя из 3-х операционных усилителей

Измери́тельный усили́тель, инструмента́льный усилитель, электрометри́ческий вычитатель — разновидность дифференциального усилителя с улучшенными параметрами — с очень малым входным смещением, малым температурным дрейфом, малым собственным шумом, высоким коэффициентом усиления, регулируемым в широких пределах изменением сопротивления одного резистора, очень высоким коэффициентом ослабления синфазного сигнала, очень высоким входным сопротивлением и малым входным током.

Такие усилители применяются, когда требуются высокая точность и кратковременная и долговременная стабильность схемы.

Применяются в измерительной технике, обработке сигналов различных датчиков и других, используется в измерительном и тестирующем оборудовании.

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 и 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. Для подавления синфазного коэффициента передачи сопротивления верхних по схеме резисторов $R,R_2,R_3$ и нижних $R,R_2,R_3$ соответственно, должны быть равны с высокой точностью.

Буферные входные неинвертирующие усилители увеличивают входное сопротивление (импеданс) низкоимпедансного выходного дифференциального инвертирующего усилителя для дифференциального и для синфазного сигналов, так как сигнал подается непосредственно на вход входных операционных усилителей имеющих очень малые входные токи. Резистор $R_{\mathrm{g}\mathrm{a}\mathrm{i}\mathrm{n}}$ — общий для обоих входных неинвертирующих усилителей, изменением его сопротивления изменяют общий коэффициент усиления инструментального усилителя.

Коэффициент усиления выходного дифференциального инвертирующего усилителя равен:

$K_{\mathrm{U}\mathrm{d}}=\frac{R_3}{R_2},$

дифференциальный коэффициент усиления напряжения всей схемы равен произведению коэффициентов усиления обоих каскадов:

$K_U=K_{\mathrm{U}\mathrm{d}}\cdot K_{\mathrm{U}\mathrm{b}}=\frac{V_{\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}}}{V_2-V_1}=(1+\frac{2R}{R_{\mathrm{g}\mathrm{a}\mathrm{i}\mathrm{n}}})\frac{R_3}{R_2}.$

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:

$V{i}_1=V_2+(1+\frac{R}{R_{\mathrm{g}\mathrm{a}\mathrm{i}\mathrm{n}}})\cdot (V_1-V_2),$

и на выходе второго операционного усилителя (слева снизу):

$V{i}_2=V_1+(1+\frac{R}{R_{\mathrm{g}\mathrm{a}\mathrm{i}\mathrm{n}}})\cdot (V_2-V_1).$

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 $R$ и $R_{\mathrm{g}\mathrm{a}\mathrm{i}\mathrm{n}}$ 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:

$V{d}_p=V{i}_2\cdot \frac{R_3}{R_2+R_3}.$

Напряжение на его инвертирующем входе также определяется делителем напряжения, выполненном на другой паре резисторов $R_2$ и $R_3$:

$V{d}_m=V_{\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}}-(V_{\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}}-V{i}_1)\cdot \frac{R_3}{R_2+R_3}.$

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

$V{i}_2\cdot \frac{R_3}{R_2+R_3}=V_{\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}}-(V_{\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}}-V{i}_1)\cdot \frac{R_3}{R_2+R_3},$

оттуда:

$V_{\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}}=(V{i}_2+V_{\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}}-V{i}_1)\cdot \frac{R_3}{R_2+R_3},$

$V_{\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}}\cdot (1+\frac{R_2}{R_3})=V{i}_2+V_{\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}}-V{i}_1,$

$V_{\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}}\cdot \frac{R_2}{R_3}=V{i}_2-V{i}_1,$

и наконец:

$V_{\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}}=(V{i}_2-V{i}_1)\cdot \frac{R_3}{R_2}=$

$=(V_1+(1+\frac{R}{R_{\mathrm{g}\mathrm{a}\mathrm{i}\mathrm{n}}})\cdot (V_2-V_1)-V_2-(1+\frac{R}{R_{\mathrm{g}\mathrm{a}\mathrm{i}\mathrm{n}}})\cdot (V_1-V_2))\cdot \frac{R_3}{R_2}=$

$=(1+\frac{2\cdot R}{R_{\mathrm{g}\mathrm{a}\mathrm{i}\mathrm{n}}})\cdot \frac{R_3}{R_2}\cdot (V_2-V_1).$

Окончательно имеем:

$K_U=(1+\frac{2\cdot R}{R_{\mathrm{g}\mathrm{a}\mathrm{i}\mathrm{n}}})\cdot \frac{R_3}{R_2}$

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