Измерительные усилители на одном операционном усилителе

Показанная на рис. 1.1 схема представляет собой простейший и самый дешевый измерительный усилитель. Резисторы R₃ и R₄действуют как делитель напряжения для неинвертирующего входа операционного уси­лителя (ОУ). Благодаря обратной связи через резисторы R₁ и R₂ иочень большому внутреннему коэффициенту усиления ОУ напряжение на ин­вертирующем входе усилителя поддерживается равным напряжению на неинвертирующем входе. Отношение R₂/R₁ определяет коэффициент передачи усилителя. Когда R₁/R₂ = R₃/R₄, 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,

Δ I_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 1/2π R₂C_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 A₂ 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.