Основные параметры дифференциальных и измерительных усилителей

В заключение отметим следующие преимущества измерительных усилителей на одном и трех ОУ.

На одном оу

• косс может быть подстроен внешним резистором до очень больших значений;

• могут быть достигнуты высокие рабочие значения синфазных и дифференциальных входных напряжений;

• низкая стоимость.

На трех оу

• высокий КОСС без подстройки;

• высокое входное сопротивление;

• коэффициент усиления устанавливается одним резистором.

Применение измерительных усилителей.

Однокристальные ИУ могут использоваться для тех же целей, что и отдельные операционные усилители. Отличаясь от последних более простой схемой включения, высоким КОСС, симметрией входов, измерительные усилители позволяют получить более высокое качество схем, чем обычные ОУ, при соизмеримой стоимости.

Источник тока, управляемый напряжением.

На измерительном усилителе получается очень изящное решение задачи преобразователя напряжение - ток.

Преобразователь напряжение—ток на измерительном усилителе

Принцип действия этой схемы очень прост. Поскольку

Полагая входной ток операционного усилителя равным нулю, получим

Усилитель переменного напряжения.

Симметричный относительно земли вход измерительного усилителя позволяет снизить долю синфазной помехи (от внешних электрических полей) в его выходном напряжении. Это делает привлекательным применение ИУ, в частности, в звукотехнике в качестве предусилителей микрофонов. Фирма Burr-Brown выпускает ИМС измерительного усилителя на трех ОУ INA163, оптимизированную для аудиоприложений. Этот усилитель имеет сверхнизкий уровень шума: 1 нВ/Гц, широкий диапазон усиления (1...10⁴), низкую нелинейность переходной характеристики (не более 0.004%), но довольно значительное смещение нуля (0.5 мВ). Поскольку в звукотехнике не требуется усиливать медленно меняющиеся составляющие сигналов, нужно преобразовать ИУ в усилитель напряжения переменного тока. Это можно сделать по схеме, приведенной на рисунке а).

Усилитель напряжения переменного тока на ИУ:

а — схема, б — ЛАЧХ

Отрицательная обратная связь через интегратор подавляет сигналы низких частот. Из предыдущих уравнений следует

ЛАЧХ, соответствующая этой передаточной функции, приведена на б).

Прием слабых сигналов.

При приеме слабых сигналов от удаленных датчиков необходимо принимать серьезные меры для снижения влияния внешних помех. Особенно трудноустранимыми являются синфазные помехи промышленной частоты 50 Гц. Подавление этих помех фильтрами приводит к искажениям полезных сигналов. Экранирование проводов с заземлением экрана малоэффективно. Хорошие результаты дает создание на экране потенциала, совпадающего с синфазной составляющей напряжения входного сигнала. Схема соединения приведена на следующем рисунке.

Подключение экрана к источнику синфазного напряжения

Резистор, которым устанавливают коэффициент усиления ИУ, заменяется двумя последовательно включенными резисторами половинного сопротивления, и их общая точка через буферный повторитель соединяется с экраном. Буфер нужен для устранения прохождения сигнала от экрана к ИУ. Резистор R₁ сопротивлением несколько сот Ом включают, чтобы уменьшить емкостную составляющую нагрузки буфера. Эта схема широко применяется в тензометрии и электрокардиографии.

Цепи протекания входного тока.

Источник входного сигнала может быть изолирован от общей точки измерительного усилителя. В этом случае проектировщику необходимо предусмотреть цепи протекания (возврата) входных токов ИУ. В противном случае эти токи, как бы малы они ни были, за счет заряда паразитных входных емкостей или протекания по загрязнениям на поверхности печатной платы создадут значительные синфазные входные напряжения, и усилитель может выйти из линейного режима. Некоторые варианты организации цепей возврата входных токов приведены на последующих рисунках.

Цепи возврата входных токов ИУ:

а — резистивная, б — трансформаторная

Измерение заряда.

Схема измерения заряда формирует выходное напряжение, пропорциональное изменениям заряда, находящегося на исследуемом приборе. Например, в пьезодатчиках ускорения возникает заряд, изменяющийся в соответствии с действующим на элемент механическим усилием. Датчики с изменяющейся емкостью, например конденсаторные микрофоны, включаются последовательно с источником постоянного напряжения, поэтому давление воздуха или иные воздействия вызывают изменения заряда на электродах датчика. Во всех задачах, связанных с измерением заряда, основные трудности связаны с высоким сопротивлением источника исследуемого сигнала.

Аналогичные проблемы имеют место при приеме сигналов с датчиков, имеющих большое внутреннее сопротивление, особенно если спектр этих сигналов занимает широкую полосу частот. Такими датчиками, например, являются микроэлектроды, используемые в биологии и медицине. Их сопротивление составляет сотни мегаОм.

Линия, соединяющая источник и приемник с такими высокими сопротивлениями, крайне чувствительна к электрическим помехам, поэтому ее обязательно экранируют. Это приводит к большой емкостной нагрузке источника относительно общей точки схемы (порядка 50 пф/м). При внутреннем сопротивлении источника сигнала, например 1 ГОм, и емкости кабеля 50 пФ, граничная частота измеряемого сигнала составит всего лишь 3.1 Гц.

Другая проблема — изменения величины этой емкости во времени, вызванные, например, механическими перемещениями. Это приводит к возникновению очень большого шумового напряжения. Если на проводник подано напряжение 10 В, то из-за колебаний емкости на 1% колебания входного напряжения усилителя достигают 100 мВ.

Для снижения влияния экрана на качество приема сигнала от датчика ОУ с малым входным током включают по схеме неинвертирующего повторителя, причем экран соединяют с выходом усилителя заряда с одинарным экраном, как показано на а).

Схема усилителя заряда:

а—с одинарным экраном; б—с, двойным экраном

В этом случае динамическая входная емкость схемы С_IN оказывается существенно меньше емкости С_Э между центральным проводом и экраном. Используя соотношения для вывода входного сопротивления ОУ в неинвертирующем включении, можно показать, что

Физически это объясняется тем, что в этой схеме при подаче входного сигнала разность потенциалов между проводом и экраном практически не меняется, оставаясь равной входному дифференциальному напряжению ОУ. Если входные сигналы слабые, то для уменьшения синфазной помехи следует использовать двойной экран, причем внешнюю оболочку нужно заземлить. Для предотвращения самовозбуждения, обусловленного влиянием межэкранной емкости, следует включить между выходом ОУ и внутренним экраном резистор сопротивлением несколько сот Ом, см. б).

Усилитель, построенный по такой схеме, практически не нагружает источник сигнала, поэтому его целесообразно применять для усиления сигналов пьезодатчиков, т. к. механические свойства и резонансные частоты последних в этом случае остаются неизменными.

Другой путь измерения заряда состоит в применении инвертирующей схемы.

Усилитель заряда с ОУ в инвертирующем включении:

о — схема включения, б — ЛАЧХ усилителя

Здесь С₁ — емкостный датчик. Эта схема работает как интегратор, в котором конденсатор С₂ в цепи обратной связи ОУ интегрирует входной ток I₁. Благодаря низкому входному сопротивлению схема имеет хорошую частотную характеристику Емкость соединительного кабеля мало влияет на его работу. Конденсатор С₂ можно при необходимости разряжать, замыкая ключ S. Если не требуется усиливать постоянную составляющую сигнала, то параллельно конденсатору С₂ подключают резистор R₂. Для повышения устойчивости схемы целесообразно включить резистор R₁. В этом случае передаточная функция схемы будет иметь вид

Логарифмическая амплитудно-частотная характеристика схемы приведена на б). Нижняя частота полосы пропускания f_Н = 1/2R₂С₂ (Гц). Верхняя частота (в зависимости от того, что меньше) либо совпадает с полосой пропускания ОУ, либо равна f_В = 1/2R₁С₁ (Гц). В полосе пропускания коэффициент передачи схемы равен — С₁/ С₂.

Данная схема практически закорачивает датчик, так что ее целесообразно использовать совместно с емкостными датчиками сигналов, например конденсаторными микрофонами, пьезоэлектрическими акселерометрами и др.

Измерители амплитуды (пиковые детекторы).

Пиковые детекторы предназначены для измерения максимального за некоторый отрезок времени значения сигнала. Работу пикового детектора можно пояснить на примере простой схемы, состоящей из идеального диода и конденсатора.

Простейший пиковый детектор:

о — схема, б — эпюра выходного напряжения

Пиковые детекторы могут работать в двух различных режимах — слежения и хранения. В режиме слежения входной сигнал больше напряжения на конденсаторе, диод открыт и выходное напряжение детектора соответствует входному до тех пор, пока входное напряжение не начнет снижаться. В этот момент устройство переходит в режим хранения б), в котором будет оставаться до тех пор, пока входное напряжение вновь не превысит ранее достигнутого уровня. Для возврата схемы к первоначальному состоянию используется ключ S.

Схема на а) имеет много недостатков. Во-первых, зафиксированное выходное напряжение постепенно уменьшается из-за разряда конденсатора. Во-вторых, из-за падения напряжения на диоде выходное напряжение несколько отличается от входного в режиме слежения. И наконец, время заряда конденсатора довольно значительно, а это ограничивает быстродействие схемы, минимальную длительность обнаруживаемого импульса и максимальную скорость нарастания выходного напряжения. При выборе емкости конденсатора приходится учитывать два противоречивых требования: уменьшение скорости спада и повышение скорости нарастания. Большая емкость конденсатора гарантирует меньшую скорость спада, поскольку напряжение на конденсаторе будет изменяться относительно медленно. Однако по этой же причине снизится скорость нарастания и уменьшится точность обработки коротких импульсов.

Схема пикового детектора на двух операционных усилителях

На рисунке приведена усовершенствованная схема пикового детектора.

Падение напряжения на диоде компенсировано включением его в цепь отрицательной обратной связи неинвертирующего повторителя. В результате при открытом диоде разность V_IN — V₁ равна напряжению смещения нуля усилителя У₁. Благодаря этому конденсатор С заряжается практически до максимального значения входного напряжения. Повторитель напряжения на У₂ весьма незначительно нагружает конденсатор, так что пиковое значение запоминается на очень долгое время. С помощью ключа S конденсатор разряжается перед новым измерением.

Усилитель У₁ в этой схеме работает на емкостную нагрузку, поэтому возможно его самовозбуждение. Этот эффект может быть устранен включением резистора R. Это приведет, однако, к увеличению времени нарастания за счет асимптотического приближения напряжения на конденсаторе к стационарному значению. Другим недостатком этой схемы является то, что У₁ переходит в режим ограничения при V_IN < V₁. Эти факторы обуславливают надлежащую работу этой схемы только в области низких частот.

Лучшими характеристиками обладает пиковый детектор, схема которого приведена на следующем рисунке.

Усовершенствованная схема пикового детектора

Здесь ОУ V₁ использован в инвертирующем включении. Если V_IN > —V_C(R₁/R₂), напряжение V₁ становится отрицательным и диод VD₁ проводит ток. Благодаря отрицательной обратной связи, охватывающей оба усилителя, v_{OUT =} V_IN(R₂/R₁). При этом исключается влияние падения напряжения на диоде VD₁, а также напряжения смещения усилителя У₂. Если входное напряжение начинает снижаться, то V₁ нарастает. Диод VD₁ закрывается, а диод VD₂ открывается, замыкая внутреннюю обратную связь усилителя У₁ и не давая ему заходить в область насыщения. Пиковое напряжение, инвертированное и масштабированное в (R₂/R₁) раз запоминается на конденсаторе.

Фотоэлектрические измерения.

Фотоэлектрические измерения приходится проводить в очень многих областях науки и техники. Это оптика (измерение освещенности, автофокусировка, управление вспышкой в фотоаппаратах), медицина (анализ крови), телекоммуникации (приемники оптоволоконной связи), промышленность (датчики положения, лазерные принтеры). Один из наиболее распространенных фотодатчиков — фотодиод. Он обладает высоким быстродействием и линейной зависимостью тока короткого замыкания от освещенности. Например, фотодиод SD-020-12-001, предназначенный для точных измерений, обладает следующими характеристиками:

• чувствительность — 100 нА/лк;

• линейная шкала выходного тока — 0 мкА;

• площадь светочувствительной поверхности — 0.2 мм²;

• емкость — 50 пФ при 10 В обратного напряжения;

• внутреннее сопротивление при коротком замыкании — 1000 Мом;

• время отклика — 12 нс.

Как правило, фотодиоды работают в одном из двух режимов: фотовольтаическом а) или фотодиодном б).

В первом случае фотодиод работает в режиме короткого замыкания, во втором — при обратном смещении. Ниже приведены сравнительные характеристики обоих режимов.

Схемы включения фотодиодов в режимах:

а — фотовольтаическом, б — фотодиодном