Измерительные усилители на трех операционных усилителях

На рис. 1.10приведена стандартная схема двухкаскадиого измерительного усилителя на базе ОУ. Первый каскад, состоящий из усилителей А₁ и А₂, усиливает дифференциальный сигнал в (R1+R2+R3)/R1 раз, и коэффициент передачи для синфазного напряжения равен 1. Следовательно, дифференциальный сигнал увеличивается на выходах А₁ и А₂ без увеличения синфазного сигнала. Второй каскад, выполненный на ОУ А₃, в дифференциальном включении усиливает дифференциальный сигнал в R5/R4 раз. Такая схема имеет более высокий входной импеданс и обес­печивает большее усиление и лучший КОСС по сравнению со схемами на одном ОУ. Кроме того, величина КОСС менее чувствительна к точности подбора резисторов.

Дифференциальный коэффициент усиления:

Коэффициент усиления синфазного сигнала (из-за разбаланса резис­торов):

Для получения максимального КОСС: R4R7 = R5R6

Обычно: R2 = R3 R4 = R6 R5 = R7

Рис. 1.10. Измерительный усилитель на трех ОУ.

Коэффициент усиления синфазного сигнала (из-за конечного значе­ния КОСС усилителя А3):

Общий КОСС измерительного усилителя в наихудшем случае (при сложении К_сф1и К_сф1):

Выходное напряжение смещения U_см.вых обусловленное напряжениями смещения ОУ (наихудший случай):

где U_СМ.А1 - входное напряжение смещения ОУ А1,

U_СМ.А2- входное напряжение смещения ОУ А2,

U_СМ.А3 - входное напряжение смещения ОУ А3.

Выходное смещение U_СМ.ВЫХ2, обусловленное входными токами смещения ОУ при R₄ = R₆ и R₅ = R₇ (наихудший случай):

где , , , - входные токи смещения А1 и А2 по инвертирующему и неинвертируюшему входам соответственно,

Δ I_см.вх - разность входных токов смешения ОУ А3,

R_И1 - выходное сопротивление источника U_вх1

R_И2 - выходное сопротивление источника U_вх2.

Общее выходное смещение (наихудший случай):

Очень важно обеспечить отвод входных токов со входов измерительного усилителя, так как в противном случае он входит в насыщение. Если источники сигналов не обеспечивают такого пути, например, когда входы развязаны по постоянному току, то необходимо подключить входы усилителя к земле через резисторы (рис. 1.11). Сопротивление R выбирается порядка 1 МОм или более; отметим, что элементы R и Собразуют фильтр верхних частот, который должен пропускать самую низкую из частот входного сигнала.

Выходное смещение и дрейф выходного смещения в этой схеме обычно больше, чем в предыдущих, из-за большего числа ОУ. Для борьбы с этими нежелательными последствиями входные ОУ следует подбирать так, чтобы их дрейфы смешения были одинаковы. Номиналы резисторов обратной связи следует выбирать небольшими, чтобы уменьшить влияние колебаний входных токов смещения ОУ. Кроме того, в качестве усилителей А₁и А₂ лучше использовать усилители с полевым входом, имеющие чрезвычайно малые входные токи. Влиянием входных токов смещения A₁ и А₂ при этом можно пренебречь.

Изменять коэффициент усиления схемы можно, изменяя сопротив­ление резистора R₁, это не сказывается на входном импедансе и КОСС схемы; однако пропорционального управления усилением таким спосо­бом добиться нельзя. При выборе значений резисторов целесообразно сосредоточить все усиление в первом каскаде усилителя (ОУ А₁и А₂), поскольку именно он обеспечивает максимальное усиление дифференциального входного сигнала по отношению к синфазному сигналу. Коэффициент передачи каскада на А₃ можно установить равным единице, выбирая R4 = R5 = R6 = R7. При этом лучше использовать резисторы в одном корпусе, чтобы обеспечить точное согласование сопротивлений и их равный дрейф при изменениях внешних условий. Однако при установке слишком большого коэффициента усиления первого каскада усилители А1и А2 могут войти в насыщение, что ограничит диапазон синфазного входного напряжения усилителя.

Для уменьшения входной емкости схемы для синфазного сигнала и защиты входов от утечек со стороны других цепей на плате, можно использовать охранное кольцо вокруг входов усилителя, соединив его и экран входного кабеля с выходом дополнительного усилителя А4) (см. рис. 1.12). Потенциал экрана и охранного кольца будет при этом поддерживаться равным синфазному входному напряжению.

При работе с высокоомными источниками сигналов для достижения относительно широкой полосы пропускания применяется следящая об­ратная связь, с помощью которой компенсируют входные емкости по каждому входу. Схема, приведенная на рис. 1.13, обеспечивает очень малые входные емкости, что важно при усилении сигналов источников с большими выходными сопротивлениями (мегаомы), так как сопротив­ление источника и входная емкость усилителя образуют фильтр нижних частот. Например, при выходном сопротивлении источника R_И = 100 МОм и входной емкости 10 пФ граничная частота составляет 1/(2π R_ИС_ВХ), т.е. всего 80 Гц. Отметим, что необходима индивидуальная защита каждого входа, что и показано на схеме.

В качестве усилителей A1и A2следует применять ОУ с входами на полевых транзисторах. Емкость конденсатора С должна быть небольшой, порядка 10пФ. Балансировка схемы производится обычными способами, отметим лишь, что больший диапазон регулировки обеспечивается при балансировке усилителей А1и А2, чем одного усилителя А3. Подстройкой RV₁и RV₂компенсируются входные емкости кабелей (в случае перекомпенсации схема возбуждается).