чением их частоты. Это становится заметным, начиная с частот порядка 10...100 Гц. Если учесть, что синфазные наводки имеют не обязательно гармоническую форму, то приходится иметь в виду наличие высших гармонических составляющих синфазных наводок, наблюдаемых на входах ИУ. Существенными часто оказываются гармоники вплоть до 7- ... 9-й.

Uш

Рис. 5.6

5.3. Инструментальный усилитель на одном операционном усилителе

Простейший инструментальный усилитель – разностный усилитель, выполняемый на одном операционном усилителе (рис. 5.7, а). На рис. 5.7, а, б приведены схемы включения разностного усилителя в режиме измерительного, рис. 5.7, в позволяет оценить его основные характеристики.

Коэффициент передачи (усиления) разностного усилителя по полезному (разностному) сигналу можно легко определить мето-

дом наложения. Так, полагая Uвх2 = 0 и Uвх1 ≠ 0, получаем

U'вых = Uвх1R4 /(R3 + R4)(1+ R2/R1),

поскольку здесь входной сигнал Uвх1, поделенный делителем R3 – R4, поступает на неинвертирующий вход усилителя и соответст-

венно им и усиливается. При Uвх2 ≠ 0 и Uвх1= 0 U''вых = –Uвх2R2/R1. Результирующее выходное напряжение

Uвых = U'вых – U''вых = Uвх1R4 /(R3 + R4)(1+ R2/R1) – Uвх2R2/R1.

92

Полученный результат состоятелен лишь при точном выпол-

нении условия R1 = R3 иR2 = R4 или R1 × R4 = R2 × R3. Только в этом случае разностный усилитель обеспечивает полное подавление

синфазной помехи с усилением полезного сигнала в число раз,

равное KuЛУ = R2/R1.

Если мост, образованный навесными резисторами, окажется несбалансированным, т.е. не будет выполняться условие равенства сопротивлений соответствующих резисторов, то на выходе разностного усилителя появится синфазная помеха, определяемая соотношением

Таким образом, для уменьшения погрешности разностного усилителя, привносимой Uсс, необходимо выполнение условия равенства сопротивлений R1 = R3 и R2 = R4. Как известно, резисторы

на кремниевой подложке имеют допуск ±20%. Это обстоятельство в рассматриваемом случае не столь важно. Важен не допуск на номинальное сопротивление, а его одинаковость. Одинаковость номинальных сопротивлений, даже при большом допуске, достигается при лазерной подгонке. В этом случае расхождение ном и- нальных сопротивлений двух одинаковых резисторов может быть

обеспечено в пределах ±0,01%.

Пример. Определить коэффициент передачи разностного уси-

лителя по синфазной помехе, привносимой только несовпадением сопротивлений внешних резисторов, полагая R1 = R3 = R4 = R и R2 = 0,999R. Рассогласование сопротивлений составляет 0,1%.

Решение.Коэффициент передачи усилителя по полезному сигналу

KuЛУ = R2/R1 =1.

В соответствии с соотношением, приведенным выше,

94

т.е. коэффициент передачи по синфазной составляющей даже при идеальном операционном усилителе оказывается конечным и равным

K' сс = Uвых сс /Uсс = 0,0005.

На выходе реального усилителя будет наблюдаться напряже-

ние ошибки, равное ∆Uош = 0,0005 Uсс.

Как известно, любой операционный усилитель подавляет синфазную составляющую. Это значит, что даже при K ' сс = 0 ослабление синфазной помехи, определяемое паспортным значением операционного усилителя,

КОСС = 20 lg Ku/Kuсс,

где Ku – усиление по постоянному напряжению или напряжению низкой частоты; Kuсс – коэффициент передачи синфазного сигнала усилителем также по низкой частоте. Тогда коэффициент пропускания синфазной помехи самим усилителем составит

K''uсс = Ku 10КОСС/20 .

Отсюда результирующий коэффициент ослабления синфазной помехи рассматриваемым разностным усилителем

В случае синфазной помехи, представляющей собой переменное напряжение, ее ослабление окажется тем меньше, чем выше частота помехи.

Как известно, даже при Uc1 = Uc2 = 0 на выходе такого усилителя всегда наблюдается остаточное напряжение

Uвых ост = Uвх сд (1+ R2/R1) + Iвх см R2 + αu Uвх сд ∆Т(1+ R2/R1) + + αi Iвх см ∆Т R2,

где Uвх сд – входное напряжение сдвига; Iвх см – ток смещения; αu и αi – их соответствующие температурные дрейфы; ∆Т – отклонение температуры кристалла усилителя от комнатной.

Важными параметрами такой схемы являются ее входное и выходное сопротивления.

Входное сопротивление для дифференциального сигнала Rвх диф ≈ R1 + R3, поскольку в силу Ku → ∞ разность напряжений непосредственно на входе усилителя равна нулю, т.е. вход усилителя как бы закорочен.

95