ля, определяющий его усиление. Отсюда напряжение на выходе инструментального усилителя, т. е. на эталонном сопротивлении

Rэт, равно Uэт = Uвых. Следовательно, ток в нагрузке Iн = Uэт/Rэт = =[Uвх/Rэт](1+Rвн/R). Меняя эталонное сопротивление, можно вы-

ставлять желаемый ток в нагрузке, пропорциональный Uвх и не зависящий от Rн. Это и есть управляемый источник тока.

Как и в обычных операционных усилителях, при очень малых входных сигналах здесь возможно подавление ошибки из-за выпрямления высокочастотных напряжений наводок. Нелинейности p-n-переходов проявляются как детекторы высокочастотных составляющих напряжений помех, смещающие рабочие точки усилительных каскадов. Поэтому в инструментальных усилителях желательны входные фильтры нижних частот.

Контрольные задания

1.Дать понятие синфазной помехи и принципы ее появления.

2.Объяснить недостатки инструментального усилителя на одном операционном.

3.Прокомментировать особенности инструментального уси-

лителя на основе двух операционных.

4.Прокомментировать параметры инструментальных усилите-

лей.

5.Прокомментировать особенности использования инструментальных усилителей.

6.ИЗОЛИРУЮЩИЕ (РАЗВЯЗЫВАЮЩИЕ) УСИЛИТЕЛИ

6.1. Назначение изолирующих усилителей

Изолирующие (инструментальные) усилители необходимы в электрических системах для гальванической развязки подсистем, имеющих разные точки отсчета напряжений (рис. 6.1).

Здесь устройства подсистемы П1 имеют в качестве общей то ч- ки ОТ1 – точки отсчета напряжений корпус прибора, а подсистема П2 использует в качестве точки отсчета напряжений землю. Гальванически эти точки отсчета не связаны, т.е. ток между нами пр о- текать не может, так как разорван возвратный провод. Это искл ю-

106

чает проводную передачу информации из подсистемы П1 в систему П2.

ИБ

П1 П2

Рис. 6.1

В таких случаях электрический сигнал из П1 в П2 может быть транспортирован либо с использованием магнитного поля (трансформаторы), либо электрического поля (конденсаторы), либо светового потока (оптроны). При этом между П1 и П2 образуется электрический изолирующий барьер ИБ. Его особенностями являются высокая электрическая прочность при практически бесконечном требуемом электрическом сопротивлении. Примеров таких ситуаций множество.

Схема усиления сигналов, снимаемых с выхода тензомоста (см. рис. 5.4), хорошо подавляет синфазную помеху, выделяя малый по уровню полезный сигнал. Синфазное напряжение здесь не превышает 6 В, что позволяет использовать коммерчески доступные инструментальные усилители. Известное правило при выборе усилителя – непревышение входным напряжением напряжения питания. Для датчика и усилителя здесь используется единая точка отсчета напряжений.

Ситуация в корне меняется в случае измерения тока в якоре двигателя (см. рис. 5.5, а). При выборе единой точки отсчета напряжения в системе "двигатель – усилитель" на вход усилителя поступает синфазное напряжение величиной 127 (220) В. Измерительных усилителей, рассчитанных на такое входное напряжение, нет. Реализация измерения тока в якоре двигателя по схеме рис. 5.5, а невозможна.

Задачу можно решить, уменьшив синфазную составляющую,

поступающую на вход усилителя, без ослабления ∆U, сохранив единую схему отсчета напряжений (рис. 6.2, а).

107

Синфазная помеха на входе инструментального усилителя ослабляется в число раз, равное Kос = (380к+20к)/20к = 20. Дифференциальная составляющая при данном схемотехническом реше-

нии дает на выходе усилителя ∆Uвых ≈ UВ – UА = –∆U . Уровень синфазной составляющей, отсчитанной от общей точки системы,

Uсс = 220В/20 = 11 В, что принципиально позволит использовать в данной схеме коммерчески доступные инструментальные усилители.

108

К сожалению, эту схему трудно защитить от всплесков напряжений на зажимах якоря. Они неизбежны при коммутации тока в якоре и могут достигать 400...1000 В. В этом случае потребуются последовательные резисторы со слишком большими сопротивлениями, что приведет к заметному ослаблениюUд. Выход из положения – введение в схему двух точек отсчета напряжений: одна для отсчета напряжений, питающих цепь якоря, а вторая – напряжений в усилительной схеме (рис. 6.3), использующая сигналь-

ную землю " ".

Рис. 6.3

Если теперь выходной сигнал тока якоря должен фиксироваться в дополнительной системе отсчета, связанной с корпусом " ", то возвратный провод между этими тремя общими точками окажется разомкнутым. Потребуется введение в схему измерения изолирующего усилителя с изолирующим барьером ИБ, состоящим из двух секций С1 и С2. Секция С1 может питаться с отсчетом напряжений от общей точки ОТ1, а секция С2 от общей точки ОТ2.

Аналогичная ситуация возникнет и при запуске остановившегося сердца дефибриллятором (рис. 6.2, б). Здесь кардиограф контролирует состояние сердца измерением разности потенциалов в

109

двух точках кожного покрова. Для запуска сердца к корпусу человека прикладывается импульс напряжения в киловольты. Это может привести к выходу из строя кардиографа. Решение – раздельные точки отсчета напряжений с последующим использованием изолирующего усилителя.

Еще один пример необходимости разделительных усилителей

–схема усиления сигналов очень малого уровня(рис. 6.4).

Вкачестве общей точки отсчета напряжений в таких схемах выбирают обычно один из зажимов источника питания, (рис.

6.4, а). Такая схема организации электронных устройств посвоему оптимальна. Ее недостатком является обилие возвратных проводов – проводов, подключающих узлы 1, 2 и 3 к общей точке. Это порождает трудность реализации схемы. При малых габаритах устройства между возвратными проводами возможна емкостная или индуктивная связь, что может привести к появлению излишне высоких уровней помех во входной цепи узла 1.

Практически вместо единой точки отсчета напряжений используют общие шины. Это могут быть эквипотенциальные провода или эквипотенциальные металлические поверхности. Под эквипотенциальностью здесь понимается отсутствие падения напряжения между двумя любыми точками общей шины или поверхности, т.е. равенство нулю резистивного и реактивного сопротивлений между упомянутыми точками. Собственно же потенциал общей шины или поверхности может быть любым: плавающим (сиг-

нальная земля обозначается знаком " "); равным потенциалу корпуса (знак " ") или нулевым, равным потенциалу земли (знак

" ").

Организация устройства (рис. 6.4, а) по принципу общей шины представлена на рис. 6.4, б. Узлы 1 , 2 и 3 устройства подключены к общей шине в разных ее точках:ОТ , Г, Д, Е и Ж. Практически всегда участки общей шины между точками подключения обладают конечными пусть сколь угодно малыми резистивными сопротивлениями R и индуктивностями L. Возвратные токи узлов, текущие к общей точке, создают на участках подключения паде-

ния напряжений. При этом падение напряжения ∆U оказывается включенным последовательно с входным сигналом Uвх. Оно не несет полезной информации и является помехой.

110

в

Рис. 6.4

111