8 Измерительные усилители на ОУ 8. 1

8 Измерительные усилители на ОУ 8. 1 Примеры применения измерительных усилителей

Во многих измерительных схемах необходимо измерять разность потенциалов между двумя точками электрической цепи, каждая из которых имеет ненулевой потенциал относительно общей точки измерительной схемы. Для этой цели используются измерительные усилители (ИУ). В переводной литературе ИУ часто называют инструментальным усилителем.

ИУ представляют собой усилительное устройства с дифференциальным входом, построенные так, что они усиливают только разность напряжений, поданных на их входы, и не реагируют на синфазное напряжение. Типичные примеры применения измерительных усилителей приведены на Рис 8. 1.

Рисунок 8. 1. Типичные примеры применения измерительных усилителей: а — с мостовым датчиком, б—с резистивным шунтом 10 м. В.

Схема на Рис. 8. 1, а обычна для тензометрии, измерения давления и др. В одно или два плеча мостовой схемы включены тензорезисторы. Синфазное напряжение на входах дифференциального усилителя (ДУ) составляет в этой схеме обычно 1. 5. . . 2. 5 В, причем, хотя это напряжение, как правило, стабилизируется, все же возможны его изменения в пределах порядка 10 м. В.

В то же время часто требуется обеспечить чувствительность к небалансу моста на уровне 1 мк. В. Эта задача требует, чтобы дифференциальный усилитель имел КОСС более 80 д. Б. Схема на Рис. 8. 1, б применяется при измерении тока в проводе, потенциал которого может многократно превосходить напряжение питания усилителя. Это также требует большого КОСС, а также высоких допустимых значений синфазного напряжения.

8. 2 Измерительный усилитель на одном OУ В простейшем случае в качестве измерительного усилителя может быть использован ОУ в дифференциальном включении (Рис. 8. 2). В фирменной документации подобные схемы так и называются — дифференциальные усилители (ДУ). При выполнении условия R 1/R 2 = R 3/R 4 усиление дифференциального сигнала намного больше усиления синфазного сигнала и коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС) будет максимальным.

Рисунок 8. 2. Схема простейшего измерительного усилителя (дифференциальный усилитель)

Дифференциальный коэффициент усиления при выполнении указанного выше условия (8. 1) Коэффициент усиления синфазного сигнала, обусловленный рассогласованием резисторов, равен (8. 2)

Коэффициент усиления синфазного сигнала, обусловленный конечным значением КОСС операционного усилителя, равен (8. 3)

Здесь КОСС выражается отношением, а не в децибелах. Коэффициент ослабления синфазного сигнала всей схемы: (8. 4) Дифференциальное входное сопротивление: (8. 5)

Поскольку, как это следует из (8. 2), КСФ 1 может принимать отрицательные значения и зависит от сопротивлений резисторов схемы, подстройкой резистора R 3 может быть достигнуто любое сколь угодно большое значение КОСС соответствии с выражением (8. 4).

Пример 8. 1. Пусть в схеме на Рис. 8. 2 R 1 = R 3 = 2 к. Ом, R 4 = 200 к. Ом. Сопротивление резистора R 2 отличается от номинального значения 200 к. Ом на 1% и составляет 198 к. Ом. Тогда дифференциальный коэффициент усиления схемы равен 100, а Косс — 10100, что во многих применениях недостаточно.

Эта простейшая схема имеет низкое входное сопротивление. Поэтому выходное сопротивление источника сигнала влияет на величину дифференциального коэффициента усиления и на коэффициент ослабления синфазного сигнала, что почти всегда требует точной настройки параметров схемы. Для изменения коэффициента усиления нужно одновременно менять сопротивления двух резисторов.

Тем не менее эта простая схема выпускается многими фирмами в виде ИМС. Например, схема ДУ — INA 133 и INA 143 (Burr Brown). На кристалле наряду с ОУ имеются 4 согласованных резистора, первые выводы которых соединены попарно с входами ОУ, а другие соединены с выводами ИМС, причем у INA 133 резисторы имеют одинаковое сопротивление, а у INA 143 R 1 и R 3 меньше, чем R 2 и R 4 (см. Рис. 8. 2) в 10 раз.

Поэтому коэффициент передачи дифференциального сигнала у INA 133 единица, а у INA 143 в зависимости от схемы подключения резисторов может принимать значения 0. 1 или 10. КОСС у INA 133 составляет 80 д. Б, а у INA 143 86 д. Б. На рис. 8. 3 представлены упрощенные схемы промышленных интегральных ДУ, рассчитанных на работу при больших синфазных напряжениях.

Рис. 8. 3. Схемы промышленных ИМС дифференциальных усилителей: а — с одним резистором в цепи обратной связи, б — с Т образным делителем в цепи обратной связи.

На Рис. 8. 3, а приведена схема, по которой выполнен ДУ INA 117 и его модификация AD 629 (Analog Devices). Здесь цепь обратной связи замыкается одним резистором R 2, а для получения большого диапазона синфазных напряжений использован резистивный делитель напряжения 20: 1 для того, чтобы привести входной сигнал ± 200 В к допустимому для ОУ диапазону ± 10 В.

Связь между величинами сигналов этой схемы устанавливается уравнением (8. 6)

При номиналах резисторов, указанных на схеме, дифференциальный коэффициент усиления составляет 1. Рабочий диапазон синфазных напряжений для INA 117 составляет ± 200 В, а для AD 629 составляет ± 270 В, причем последний имеет встроенную защиту от синфазного и дифференциального напряжений до ± 500 В! Коэффициент ослабления синфазной составляющей INA 117 и AD 629 превышает 86 д. Б.

Схема ДУ с делителем в обратной связи Дифференциальная схема с подогнанными резисторами может обеспечить требуемые характеристики лишь в том случае, если сопротивление источника сигнала равно нулю или, по крайней мере, очень мало. Для измерений в мостовых схемах это условие трудно выполнить.

Пример 8. 2. Обратимся к схеме на Рис. 8. 1, а. Сопротивления тензорезистора обычно имеют величины 50. . . 200 Ом. Даже если оба полумоста R 1 R 2 и R 3 R 4 активные, т. е. в каждом из них включен тензорезистор равного сопротивления, то при использовании дифференциального усилителя с параметрами, взятыми и примера 2. 1, погрешность дифференциального коэффициента усиления состава как минимум, 1. 25%.

С другой стороны, если один из полумостов, скажем, R 3 R 4 — пассивный, т. е. не содержит тензорезистора, то с точки зрения экономичности при батарейном питании лучше взять сопротивления этих резисторов несколько больше, например по 1 к. Ом. В этом случае, даже если сам ОУ идеален, из за разности сопротивлений источников сигналов подключенных к дифференциальным входам КОСС согласно формулам (8. 2), (8. 4) составит всего 27 д. Б, что совершенно недостаточно.

Снизить влияние параметров источников сигнала на Кд и КОСС можно, увеличив входное сопротивление ДУ. Для сохранения высокого значения КД можно применить Т образную цепь для резисторов обратной связи, показанную на Рис. 8. 3, 6. Если взять R 3 = R 1 a R 4 = R 2 + R 5||R 6. То дифференциальный коэффициент усиления составит (8. 7)

По этой схеме выполнена ИМС INA 148. Ее входные резисторы имеют довольно высокое сопротивление (1 МОм), Кд = 1, а КОСС = 90 д. Б. Диапазон допустимых синфазных напряжений составляет ± 200 В. Другой путь заключается применении дополнительного выходного усилителя, обеспечивающего повышение коэффициента усиления. Так устроена микросхема INA 146 (Рис. 8. 3).

Рис. 8. 4. Схема дифференциального усилителя INA 146

Входной ДУ имеет коэффициент передачи всего 0. 1, но за счет этого он допускает входное синфазное напряжение до ± 100 В при сопротивлениях входных резисторов по 100 к. Ом. Коэффициент усиления выходного неинвертирующего усилителя У 2 устанавливается внешним делителем R 1 R 2 в пределах 1. . . 1000, так что КД всей схемы может быть установлен в пределах 0. 1. . . 100. КОСС это усилителя не менее 80 д. Б.

8. 3 Измерительный усилитель на двух ОУ Несмотря на ухищрения разработчиков, описанные выше, дифференциальный усилитель пригоден только для усиления сигналов источников с низким выходным сопротивлением, таких, например, как измерительный шунт (см. Рис. 8. 1, б).

Для приема и усиления сигналов источников с относительно большим выходным сопротивлением, например мостовых схем, требуются усилители с входным сопротивлением совершенно иного, гораздо более высокого порядка. Как ранее отмечалось, значительно большим входным сопротивлением обладают ОУ в неинвертирующем включении. Схема простейшего измерительного усилителя с неинвертирующим включением входных ОУ приведена на Рис. 8. 5.

Рис. 8. 5. Измерительный усилитель на двух ОУ.

При соблюдении условия R 2/R 3 = R 5/R 4 выходное напряжение можно найти по формуле (8. 7) В частном случае, когда R 2 = R 3 = R 4 = R 5, соотношение (8. 7) принимает вид (8. 8)

По схеме на Рис. 8. 5 изготавливается ИУ с полевыми транзисторами на входах INA 155. Внешним резистором устанавливается дифференциальный коэффициент усиления в пределах 10. . . 50. Усилитель имеет КОСС = 92 д. Б. Входной ток — 1 п. А.

Измерительный усилитель на трех ОУ Улучшить характеристики схемы дифференциального усилителя можно, включив между источником сигнала и каждым из входов неинвертирующий повторитель (см. Рис. 8. 2). Эти повторители будут служить буферами, в результате чего входное сопротивление измерительного усилителя повысится, и влияние выходного сопротивления источников сигнала на дифференциальный коэффициент усиления и КОСС практически будет устранено.

Рис. 8. 6. Схема измерительного усилителя на трех ОУ.

Недостатком такого решения является то, что здесь потребуется большой КОСС и в повторителях и в выходном ОУ. Лучшими характеристиками обладает схема, приведенная на Рис. 8. 6 и принятая в качестве стандартной схемы измерительного усилителя. Полагаем, в начале, что Vref = 0. Как видно из Рис. 8. 6, напряжение на резисторе Rp составляет V 1 V 2. Отсюда следует, что (8. 8)

Эта разность преобразуется дифференциальным усилителем на трех ОУ в напряжение Vout относительно общей точки (земли). Обычно выбирается R 2 = R 1 и R 3 = R 4 = R 5 = R 6. В таком случае дифференциальный коэффициент усиления (8. 9) При VREF 0 выходное напряжение смещается на эту величину (8. 10)

Коэффициент усиления синфазного сигнала из за разбаланса резисторов: (8. 10) Коэффициент усиления синфазного сигнала из за конечного значения КОСС схемы на трех ОУ (ОУ 3): (8. 11) Общий КОСС измерительного усилителя определяется соотношением (8. 4).

Пример 8. 3. Пусть в схеме на Рис. 8. 6 Rр = 1 к. Ом, R 2 = R 1 = 50 к. Ом, R 3 = R 5= R 6 = 10 Ом. Сопротивление резистора R 4 отличается от номинального значения 10 к. Ом на 1% и составляет 9. 9 к. Ом. Тогда дифференциальный коэффициент усиления схемы равен 101, а КОСС — 20200, что выше, чем в примере 8. 1.

Измерительные усилители на трех ОУ имеют КОСС выше, чем схемы на двух ОУ. Они выпускаются в виде ИМС с внутренними согласованными рези сторами ( D 620, LM 363, A 1 CL 7605 и др. ). Обычно эти ИМС имеют выводы для подключения внешнего резистора Rp, которым задается дифференциальный коэффициент усиления, а также вход опорного напряжения «REF» , который используется во многих приложениях.

Например, ИУ INA 118 фирмы Burr Brown имеет низкое смещение нуля V 0Ґ? = 50 мк. В, широкий диапазон на пряжений питания (± 1. 35. . . ± 18 В) и входных напряжений (до ± 40 В), малый потребляемый ток — 0. 35 м. А и широкий диапазон коэффициентов усиления (1. . . 104), устанавливаемых одним внешним резистором.

Шумовые характеристики промышленных моделей измерительных усилителей на трех ОУ имеют некоторые особенности. Дело в том, что низким внутренним шумом обладают только входные усилители. Шум выходного ОУ значительно больше. Поэтому ИУ с большим коэффициентом усиления имеет шум, приведенный к входу, значительно меньший, чем тот же ИУ с единичным усилением. То же самое можно сказать и о смещении нуля.