Входное сопротивление для синфазной помехи Rвх сс = (R1 + + R2)/(R3 + R4), поскольку входное сопротивление микросхемы – сопротивление между входными выводами – очень велико.

Из-за низкого входного сопротивления, высоких требований к одинаковости сопротивлений навесных резисторов и малой эффективности подавления синфазной помехи данная схема вряд ли может использоваться в качестве измерительного усилителя.

Вместе с тем, она с успехом применяется в составе более сложных существующих ИУ.

5.4. Измерительный усилитель на двух операционных усилителях

В усилителе на рис. 5.8 входные сигналы подаются на неинвертирующие входы усилителей У1, и У2, поэтому гарантируется очень высокое входное сопротивление для Uвх+ и Uвх– и снимается одно из ограничений, свойственное предыдущей схеме.

Рис. 5.8

Усиление дифференциального сигнала здесь легко находится с использованием принципа наложения: U'вых = Uвх+ (1+ R4/R3) и

U''вых = –Uвх– (1+ R2/R1)R4/R3. Отсюда

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

При выполнении условия R1 = R4 и R2 = R3

Uвых = (Uвх+ – Uвх– )(1+ R4/R3).

96

Коэффициент передачи синфазной помехи, привносимый разбалансом резисторов,

=Uсс R1R3 −R2R4 .R1R3

Опять-таки для улучшения подавления синфазной помехи и здесь необходимо согласование сопротивлений резисторов, ибо

K'uсс = 0 только при условииR1R3 = R2R4.

Очевидно, что выходное остаточное напряжение (напряжение смещения)

Uвых ост = 2(1+ R4/R3) Uвх сд.

Усиление схемы можно менять за счет введения в нее дополнительного переменного резистора Rp. К сожалению, коэфф ициент усиления при этом меняется нелинейно.

Основной недостаток данного усилителя состоит в том, что на

вход У1 поступает Uвх(–) = Ucc + ∆Uс, т.е. и синфазная помеха, и полезный сигнал усиливаются этим усилителем одинаково. Это мо-

жет привести к насыщению У1 синфазной помехой, что резко уменьшит коэффициент передачи У1, по полезному сигналу.

Сигнал Uвх– , проходя через усилитель У1, претерпевает некоторый сдвиг фазы, т. е. Uвых по фазе отличается теперь от Uвх+. Это также ухудшает подавление синфазной помехи.

Тем не менее, подобные схемы существуют в интегральном исполнении из-за простоты, а следовательно, меньшей стоимости.

Конденсатор С1 в схеме позволяет улучшить фазовые соотношения сигналов на входе У2, повышая тем самым эффективность подавления напряжений синфазной помехи переменного тока.

Конденсатор С2 может быть включен в схему для ограничения полосы пропускания, т.е. для ослабления высокочастотных сигналов. Это особенно важно для случая малых входных сигналов, на точность восприятия которых начинают влиять выпрямляемые переходами высокочастотные помехи.

Совокупность R4 – C2 вносит полюс в передаточную функцию

петлевого усиления на частоте среза f = 1/2πR4C2, что соответствует повышению устойчивости.

97

5.5. Измерительный усилитель на трех операционных усилителях

Данный ИУ (рис. 5.9) образован двумя ступенями усиления: первая составлена из неинвертирующих усилителей У1, и У2, а вторая – из разностного усилителя У3. Усиление этого усилителя по полезному (разностному) сигналу легко находится следующим образом.

В силу малости ∆U, т.е. полагая ∆U ≈ 0, получаем, что к зажи-

мам резистора R2, приложены соответственно Uвх(+) и Uвх(+) т.е. в резисторе R2 протекает ток I, равный I = (Uвх(+) – Uвх(–))/R2. Этот ток, обтекая резисторы R1 и R3 создает падение напряжения

UAБ = I(R1+ R2 + R3),

или

UAБ = (R1+ R2 + R3) (Uвх(+) – Uвх(–))/R2.

Рис. 5.9

Это напряжение поступает на вход второй ступени – на вход разностного усилителя. Оно усиливается второй ступенью, и выходное напряжение усилителя при условии R6 = R4, R7 = R5

Uвых = [(R1+ R2 + R3) (Uвх(+) – Uвх(–))/R2] (R5/R4),

т.е. коэффициент усиления этого ИУ по напряжению

KuИУ = [1+ (R1+ R3)/R2](R5 /R4).

98

Интересно "отношение" этого ИУ к синфазной помехе. В са-

мом деле, при Uвх(+) и Uвх(–) = Ucc и ∆U = 0 на оба зажима резистора R2 поступают одинаковые напряжения. Это значит, что синфаз-

ный ток в резисторе R2 отсутствует, а следовательно, отсутствует он и в делителеR1, R2 и R3. В результате оказывается, что в точках А и Б схемы наблюдается Ucc. Отсюда коэффициент передачи первой ступени по синфазной составляющей равен единице, а по полезному сигналу

Kuд = [1+ (R1+ R3)/R2 ].

Уменьшив R2, можно в первой ступени увеличить отношение полезный сигнал/синфазная помеха, которое не зависит от степени согласованности резисторов R1 и R3.

Прохождение синфазной помехи через этот ИУ полностью определится последней ступенью, т.е. разностным усилителем (см. подразд. 4.7).

Опять-таки во многом степень подавления синфазной помехи зависит, в частности, от согласованности сопротивлений резисто-

ров R4 – R6 и R5 – R7.

На интенсивность подавления синфазной помехи влияет и одинаковость частотных характеристик У1 и У2. Дело в том, что различие в их частотных характеристиках приводит к разности фаз синфазных помех, наблюдаемых в точках А и Б схемы, а это вызывает соответствующие фазные ошибки.

Такие ИУ чаще всего исполняются в одном кристалле с вне ш- ним резистором R2, изменением которого и регулируется коэффициент усиления.

Выходное остаточное напряжение этого ИУ

Uвых ост=(1+(R1+R3)/R2)(R5/R4)(Uвх сдУ1+Uвх сдУ2)+(1+R5/R4)Uвх сд У3+

+ [R1Iвх (–) У2 –Rи2Iвх (+) У2 +R3Iвх (–) У2 –Rи1Iвх (+) У2](R5/R4)+ R5Iвх сд У3,

где Iвх(–) , Iвх(+) – входные токи усилителей У1, и У2; Rи1, Rи2 – внутренние сопротивления источников сигналов Uвх(+) и Uвх(–); Iвх сд У3 –

входной ток сдвига У3 (разность входных токов).

Часто можно пренебречь входными токами в силу их малости, тогда

Uвых ост = (1+(R1+R3)/R2)(R5/R4)(Uвх сдУ1+Uвх сд У2)+(1+R5/R4)Uвх сд У3.

99