1.3 Проектирование принципиальной схемы измерительных усилителей

Усилители обычно строятся по схеме многокаскадного усиления с применением разнообразных видов местной и общей отрицательной обратной связи для обеспечения стабильности коэффициента передачи и частотной характеристики.

Рисунок 1.10 – Структурная схема измерительного усилителя

Основой современных инструментальных усилителей обычно являются прецизионные ОУ,включенные по схеме инвертирующего (см. рисунок 1.11, а) или неинвертирующего усилителя (см. рисунок 1.11,б).

Рисунок 1.11 – Инвертирующий(а) и неинвертирующий(б) масштабный усилитель на ОУ

Стабилизация коэффициента усиления в приведенных схемах осуществляется отрицательной обратной связью. Допуская, что ОУ является идеальным выходное напряжение масштабных усилителей можно определить следующими выражениями:

– инвертирующего

(1.45)

– неинвертирующего

(1.46)

Представив выходное напряжение ДУ как сумму двух независимых входных напряжений U1и U2,с учетом формул (1.45) и (1.46), получаем:

+ (1.47)

Инструментальные усилители часто выполняются с дифференциальным входом и предназначены для усиления разности двух входных напряжений. В состав этих усилителей входит дифференциальный каскад, на прецизионном ОУ включенном по дифференциальной схеме (см. рисунок 1.12,а) — дифференциальный усилитель (ДУ) [11].

Рисунок 1.12 – Дифференциальный усилитель на ОУ(а); измерительный усилитель дифференциальным входом(б)

Если для схемы (см. рисунок 1.12, а) выполняется условие

(1.48)

усилитель становится дифференциальным и усиливает разность напряжений поступающих на входы:

(1.49)

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 (см. рисунок 1.13). Сопротивление R выбирается порядка 1 МОм или более; отметим, что элементы R и С образуют 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 смещения были одинаковы. Номиналы резисторов обратной связи следует выбирать небольшими, чтобы уменьшить влияние колебаний входных токов смещения ОУ.

Рисунок 1.13 – Отвод входных токов

В качестве усилителей А1 и A2 лучше использовать усилители с полевым входом, имеющие чрезвычайно малые входные токи. Влиянием входных токов смещения А1 и A2 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 А1 и A2), 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 А1 и A2 могут войти в насыщение, что ограничит диапазон синфазного входного напряжения усилителя [12].