Измерительные усилители на одном операционном усилителе

Предисловие

В последнее время в электронике возникло и быстро развилось новое направление - цифровая обработка сигналов. Цифровые методы, основывающиеся на использовании микропроцессоров, проникли во множество областей радиоэлектроники и привели к созданию совершенно новых способов обработки сигналов. С помощью программных методов получены такие результаты, которые ранее были достижимы только сложными аппаратными средствами. Одновременно развивалась новая технология создания монолитных интегральных схем, объединяющих на одном кристалле аналоговые и цифровые устройства. Такие комбинированные микросхемы и гибкие системы цифровой обработки оказались исключительно перспективными благодаря своей дешевизне, относительной простоте и гибкости. При этом собственно аналоговая электроника, несмотря на совершенствование технологии операционных усилителей, как-то уходила в тень. Сейчас же хорошее знание аналоговой электроники приобретает большее значение, поскольку по мере развития систем цифровой обработки повышаются требования к качеству входных и выходных аналоговых сигналов. По-прежнему необходимо и аппаратное макетирование новых разработок независимо от того, производится ли оно в конструкторском бюро опытным инженером или в институтской лаборатории студентами, находящимися только в начале своего инженерного пути. Программное моделирование аналоговых схем, безусловно полезное и инженерам, и студентам, не заменит того непосредственного опыта, который дают экспериментальные исследования.

Измерительные усилители

Измерительный, или инструментальный, усилитель - это устройство с дифференциальным входом. Усилитель строится так, что он усиливает только разность напряжений, поданных на его входы (U_вх2 - U_вх1), и не реагирует на синфазное входное напряжение (см. рисунок). Для боль­шинства микросхем измерительных усилителей коэффициент усиления (передачи) по напряжению K_uнаходится между 1 и 1000.

В инженерной практике реальные устройства, как правило, заменяют­ся некоторыми идеализированными моделями, что дает возможность более наглядно представить себе пути решения поставленной задачи. Мо­дель может не отражать всех свойств реального объекта, но, во всяком случае, дает возможность определить, какие ее параметры нуждаются в уточнении.  Итак, идеальный измерительный усилитель обладает следую­щими характеристиками: постоянный коэффициент усиления, не завися­щий от времени, частоты и амплитуды входного сигнала, сопротивления нагрузки, температуры и влажности; бесконечный коэффициент подавле­ния синфазного напряжения и изменений напряжения питания; нулевые входное и выходное напряжения смещения и дрейфы этих смещений, а также нулевой выходной импеданс при любых амплитудах сигнала, от­даваемого усилителем в нагрузку. Обычно инструментальный усилитель служит первым каскадом измерительной или преобразовательной схемы, где основным требованием является точность. Во многих случаях входной сигнал подается на измерительный усилитель с мостовой схемы или дат­чика, преобразующих неэлектрическую величину в аналоговый электри­ческий сигнал. Основные проблемы, которые приходится решать разра­ботчику при усилении этого сигнала для обработки последующими кас­кадами, связаны с подавлением шумов и нестабильностью коэффициента усиления при воздействии внешних факторов.

Предисловие

В последнее время в электронике возникло и быстро развилось новое направление - цифровая обработка сигналов. Цифровые методы, основывающиеся на использовании микропроцессоров, проникли во множество областей радиоэлектроники и привели к созданию совершенно новых способов обработки сигналов. С помощью программных методов получены такие результаты, которые ранее были достижимы только сложными аппаратными средствами. Одновременно развивалась новая технология создания монолитных интегральных схем, объединяющих на одном кристалле аналоговые и цифровые устройства. Такие комбинированные микросхемы и гибкие системы цифровой обработки оказались исключительно перспективными благодаря своей дешевизне, относительной простоте и гибкости. При этом собственно аналоговая электроника, несмотря на совершенствование технологии операционных усилителей, как-то уходила в тень. Сейчас же хорошее знание аналоговой электроники приобретает большее значение, поскольку по мере развития систем цифровой обработки повышаются требования к качеству входных и выходных аналоговых сигналов. По-прежнему необходимо и аппаратное макетирование новых разработок независимо от того, производится ли оно в конструкторском бюро опытным инженером или в институтской лаборатории студентами, находящимися только в начале своего инженерного пути. Программное моделирование аналоговых схем, безусловно полезное и инженерам, и студентам, не заменит того непосредственного опыта, который дают экспериментальные исследования.

Измерительные усилители

Измерительный, или инструментальный, усилитель - это устройство с дифференциальным входом. Усилитель строится так, что он усиливает только разность напряжений, поданных на его входы (U_вх2 - U_вх1), и не реагирует на синфазное входное напряжение (см. рисунок). Для боль­шинства микросхем измерительных усилителей коэффициент усиления (передачи) по напряжению K_uнаходится между 1 и 1000.

В инженерной практике реальные устройства, как правило, заменяют­ся некоторыми идеализированными моделями, что дает возможность более наглядно представить себе пути решения поставленной задачи. Мо­дель может не отражать всех свойств реального объекта, но, во всяком случае, дает возможность определить, какие ее параметры нуждаются в уточнении.  Итак, идеальный измерительный усилитель обладает следую­щими характеристиками: постоянный коэффициент усиления, не завися­щий от времени, частоты и амплитуды входного сигнала, сопротивления нагрузки, температуры и влажности; бесконечный коэффициент подавле­ния синфазного напряжения и изменений напряжения питания; нулевые входное и выходное напряжения смещения и дрейфы этих смещений, а также нулевой выходной импеданс при любых амплитудах сигнала, от­даваемого усилителем в нагрузку. Обычно инструментальный усилитель служит первым каскадом измерительной или преобразовательной схемы, где основным требованием является точность. Во многих случаях входной сигнал подается на измерительный усилитель с мостовой схемы или дат­чика, преобразующих неэлектрическую величину в аналоговый электри­ческий сигнал. Основные проблемы, которые приходится решать разра­ботчику при усилении этого сигнала для обработки последующими кас­кадами, связаны с подавлением шумов и нестабильностью коэффициента усиления при воздействии внешних факторов.

Измерительные усилители на одном операционном усилителе

Показанная на рис. 1.1 схема представляет собой простейший и самый дешевый измерительный усилитель. Резисторы R ₃ и R₄действуют как делитель напряжения для неинвертирующего входа операционного уси­лителя (ОУ). Благодаря обратной связи через резисторы R ₁ и R ₂ иочень большому внутреннему коэффициенту усиления ОУ напряжение на ин­вертирующем входе усилителя поддерживается равным напряжению на неинвертирующем входе. Отношение R ₂ / R ₁ определяет коэффициент передачи усилителя. Когда R ₁ / R ₂ = R ₃ / R ₄, усиление дифференциального сигнала намного больше усиления синфазного сигнала, и коэффициент ослабления синфазного напряжения (КОСС) будет максимальным. Для указанных значений резисторов дифференциальный коэффициент усиле­ние равен 3, а КОСС равен 1000, т.е. 60 дБ.

Дифференциальный коэффициент усиления:

где Ay — коэффициент усиления ОУ, А _v ->

Коэффициент усиления синфазного сигнала, обусловленный рассогла­сованием резисторов, равен:

Коэффициент усиления синфазного сигнала, обусловленный конечным значением КОСС операционного усилителя (КОСС_оу), равен:

Отметим, что КОСС_оу выражается отношением, а не в децибелах.

Коэффициент ослабления синфазного сигнала всей схемы:

Дифференциальное входное сопротивление:

Входное сопротивление для синфазного сигнала (при КОСС = ) составляет:

Выходное напряжение смещения (при R₁ = R₃ и R₁ = R₄) в наихуд­шем случае равно:

U_см.вх — приведенное ко входу напряжение смещения ОУ,

ΔI_см.вх — разность входных токов смещения ОУ (по инвертирующему и неинвертирующему входам).

Представленная на рис. 1.1 схема имеет низкое входное сопротивление (в данном случае около 20 кОм) и предназначена для подключения низкоомных источников сигналов. Подача сигнала от высокоомного источника приведет к потерям из-за шунтирования входного сигнала и ухудшению подавления синфазного напряжения. Увеличение значений входных резисторов (R₁, R₃) повышает входное сопротивление, но при этом увеличивается дрейф смещения из-за нестабильности входных токов смещения, сужается ширина полосы пропускания из-за влияния паразитных емкостей, и повы­шается уровень шумов. Сопротивления резисторов R₁ и R₃ приходится вы­бирать, идя на компромисс между входным сопротивлением, влиянием входных и шумовых токов и шириной полосы пропускания.

Максимальное значение КОСС достигается при R₁/R₂ = R₃/R₄, но не забывайте, что к значениям сопротивлений R₁ и R₃ добавляются импедансы источников по инвертирующему и неинвертирующему входам, что приводит к дополнительным погрешностям коэффициента усиления и

подавления синфазного напряжения. Аналогичные проблемы вызывают и неточности сопротивлений резисторов: необходимо применять высококачественные прецизионные резисторы.

Ширина полосы пропускания этого усилителя ограничивается либо конечной шириной полосы пропускания ОУ, либо паразитными емкос­тями. Если полоса пропускания ограничивается ОУ, то в случае полнос­тью скорректированного ОУ ее ширина составит примерно f_a⁼R₁/(R1+R₂), где f_а представляет собой произведение коэффициента усиления на ширину полосы пропускания ОУ (это произведение равно частоте единичного усиления для полностью скорректированного ОУ). Если ширина полосы пропускания ограничивается паразитными емкостями, например, параллельными резисторам R₂ и R₄, и если соблюдается условие R₁ = R₃, R₂ = R₄, то частота среза по уровню -3 дБ приближенно равна 1/2πR₂C_П, где С_П — паразитная емкость, параллельная R₂, ее величина обычно не превышает 10 пФ (при R₂ = 1 МОм и С_П = 10 пФ полоса пропускания, как нетрудно подсчитать, составляет всего 16 кГц). Таким образом, для получения широкой полосы пропус­кания необходимо применять быстродействующие ОУ и резисторы не слишком больших номиналов

Отметим, что КОСС дифференциального усилителя на высоких частотах ухудшается из-за ограничений, накладываемых ОУ, и рассогласования зна­чений резисторов R₁ и R₂, R₃ и R₄). В отдельных случаях для получения максимального КОСС можно ввести в схему подстроечный резистор. Точной настройкой можно обеспечить очень большое значение КОСС по по­стоянному току, так как основной вклад в ухудшение КОСС вносит именно рассогласование резисторов. Однако настройка со временем изменяется из-за дрейфа и старения. Приведенная на рис. 1.2 схема позволяет использовать высокоомный подстроечный резистор, так как низкоомные резисторы менее стабильны.

 

При проектировании измерительного усилителя рекомендуется располагать дискретные элементы на плате зеркально, чтобы паразитные емкости по обоим входам были одинаковы; такой прием позволяет расши­рить полосу подавления синфазного сигнала. Иногда требуется ограни­чить ширину полосы пропускания усилителя; для этого параллельно резисторам R₂ и R₄ включаются одинаковые конденсаторы (лучше всего применять прецизионные конденсаторы с допуском 1%, так как иначе ухудшаются частотные свойства усилителя).

Для повышения коэффициента усиления рекомендуется схема, приве­денная на рис. 1.3, в которой не требуются высокоомные резисторы.

 

 

Повторитель на ОУ A ₂ может не понадобиться, если резисторы R5 и R6 достаточно малы по сравнению с резистором R₂, т.е. R₂ не шунтирует делитель R5,R6.

Для увеличения коэффициента усиления можно также применить Т-образное соединение резисторов обратной связи (рис. 1.4). Эта схема позволяет изменять коэффициент усиления без заметного влияния на значение КОСС.

Эта же конфигурация допускает применение высокоомных входных резисторов для повышения входного сопротивления. Отметим, что коэффициент усиления нелинейно зависит от к, и что в схеме требуются три пары согласованных резисторов; для повыше­ния температурной стабильности лучше использовать четыре резистора R2, размещенные в одном корпусе.

При больших значениях коэффициента усиления дифференциального усилителя (1000 и более) приходится учитывать конечное значение соб­ственного коэффициента усиления ОУ А_v.Если он недостаточно велик, появляется значительная погрешность дифференциального коэффициента усиления.

Если входное синфазное напряжение превышает напряжение пита­ния, можно воспользоваться схемой, приведенной на рис. 1.5.

 Отметим, что усилитель A₂ подавляет синфазное напряжение на входах усилителя А₁ благодаря наличию резисторов R5 и R6. Поскольку синфазное напряжение на усилители А₁ и А₂ не поступает, схема обеспечивает хороший КОСС. Величина КОСС определяется тем, насколько хорошо выдерживается соотношение R1/R5 = R3/R6. На практике обычно выбирают R5 = R6, R7 = R8, R1 = R3 и R2 = R4.

В измерительных усилителях применяются стандартные способы регулировки смещения. Показанная на рис. 1.6 схема хорошо подходит для измерительных усилителей, так как изменение потенциала земли на неинвертирующем входе ОУА₁обеспечивает эффективную балансировку схему. Однако при таком способе требуется источник смещения с малым выходным сопротивлением, поэтому приходится включать повторитель на ОУ A₂. Можно обойтись и без этого, используя низкоомный делитель R_d, но при этом ухудшаются характеристики усилителя.

Отметим, что эта схема эффективно устраняет напряжение смещения на выходе. Однако можно убрать только небольшие смещения выходного напряжения, находящиеся внутри диапазона выходных напряжений ОУ.